Влияние частоты на распределение плотности тока и на нагрев печатных плат

Abstract

В статье исследуются процессы изменения активного сопротивления и нагрева дорожки печатной платы в функции частоты сигнала вследствие поверхностного эффекта и эффекта взаимного влияния токов в проводнике. Рассчитан коэффициент изменения активного сопротивления дорожки в функции частоты. Предложен и опробован алгоритм теплового расчета, позволяющий значительно упростить и ускорить решение пространственной задачи, используя результаты расчета 2D задачи распределения тока в плоском проводнике. Показано, что при заданном значении внешнего тока увеличении частоты приводит к значительному увеличению эквивалентного активного и реактивного сопротивлений проводника, что существенно увеличивает его температуру нагрева. Доказана корректность решения электротермической 3D задачи и намечены направления дальнейших исследований.

The article deals with the distribution of the current density and the heating of the conductors of the printed circuit board, depending on the frequency of the source at a fixed value of the current. In this case, the equivalent conductivity of the material depends not only on the temperature, but also on the frequency of the signal, which considerably complicates the solution of the spatial problem. In the article an algorithm is proposed which, on the basis of the solution of the plane problem, allows one to reduce the solution of the spatial quasistatic problem to the problem of heating conductors by direct current with equivalent conductivity. Purpose. The purpose of this article is to develop and test a mathematical model of electro thermal heating of printed circuit boards, depending on the frequency of the source in a flat and spatial form. Methods. The solution of the planar and spatial problems was carried out by the finite element method in the COMSOL package. Results. Mathematical models of PCB heating are developed and tested depending on the frequency. The value of the equivalent conductivity is obtained depending on the frequency of the signal and the temperature of PCB heating for a planar and spatial problem. The correctness of the solutions obtained is shown. Conclusions. An algorithm that allows reducing the problem of heating the conductors of a printed circuit board by a high-frequency alternating current to the problem of heating conductors with a direct current with equivalent conductivity is proposed and tested, which greatly simplifies the solution process. Areas for further research are outlined.