Calcolatore Larghezza Traccia PCB

Il Calcolatore Larghezza Traccia PCB utilizza lo standard IPC-2221 per determinare la larghezza minima della traccia richiesta per una determinata corrente, aumento di temperatura e spessore del rame. Questo è essenziale per progettare circuiti stampati affidabili in grado di gestire la potenza richiesta senza surriscaldarsi o guastarsi.

Cos'è l'IPC-2221?

IPC-2221 è uno standard industriale intitolato "Generic Standard on Printed Board Design" pubblicato dall'Association Connecting Electronics Industries (IPC). Fornisce linee guida complete per la progettazione di PCB, comprese le formule per calcolare la larghezza minima della traccia necessaria per trasportare una corrente specifica.

Lo standard definisce la relazione tra la capacità di trasporto di corrente e la geometria della traccia attraverso formule derivate empiricamente basate su test estesi.

La Formula della Larghezza Traccia IPC-2221

Il calcolo prevede due passaggi principali:

Passaggio 1: Calcolare l'area della sezione trasversale

Dove:

• A = Area della sezione trasversale in mils² (mils quadrati)
• I = Corrente in Ampere
• k = Costante dello strato (0.048 per esterno, 0.024 per interno)
• ΔT = Aumento di temperatura sopra l'ambiente in °C
• b = 0.44 (costante esponente)
• c = 0.725 (costante esponente)

Passaggio 2: Calcolare la larghezza della traccia

Dove:

• W = Larghezza traccia in mils
• A = Area della sezione trasversale dal Passaggio 1
• T = Spessore del rame in mils

Strati Esterni vs Interni

Lo standard IPC-2221 distingue tra strati esterni e interni perché hanno diverse caratteristiche di dissipazione del calore:

• Strati Esterni: Esposti all'aria, consentono una migliore dissipazione del calore attraverso la convezione. Utilizza k = 0.048.
• Strati Interni: Circondati dal substrato FR4, che ha una scarsa conduttività termica. Utilizza k = 0.024 (metà dell'esterno).

Ciò significa che le tracce degli strati interni devono in genere essere circa il doppio più larghe delle tracce degli strati esterni per la stessa capacità di trasporto di corrente.

Riferimento Peso Rame

Linee Guida per l'Aumento della Temperatura

La scelta dell'aumento di temperatura appropriato dipende dalla tua applicazione:

• Aumento di 10°C: Scelta conservativa per applicazioni critiche, militare/aerospaziale e schede con componenti sensibili alla temperatura nelle vicinanze
• Aumento di 20°C: Comune per applicazioni commerciali generali con ventilazione adeguata
• Aumento di 30°C: Accettabile per applicazioni industriali con buona dissipazione del calore
• Aumento di 40°C+: Solo per applicazioni in cui lo spazio è estremamente limitato e si prevedono picchi di corrente di breve durata

Importante: L'aumento di temperatura è superiore alla temperatura ambiente. Se il tuo dispositivo opera in un ambiente a 40°C con un margine di aumento di 20°C, la traccia potrebbe raggiungere i 60°C.

Resistenza e Caduta di Tensione

Per le applicazioni sensibili alla potenza, la resistenza della traccia e la caduta di tensione sono considerazioni critiche:

Dove:

• R = Resistenza in Ohm
• ρ = Resistività del rame (1.7 × 10⁻⁸ Ω·m a 20°C)
• L = Lunghezza della traccia
• A = Area della sezione trasversale

La caduta di tensione attraverso la traccia è quindi:

E la potenza dissipata come calore:

Migliori Pratiche di Progettazione

Margini di Sicurezza

• Aggiungi un margine di sicurezza del 20-50% alle larghezze calcolate per le variazioni di produzione
• Tieni conto delle tolleranze di produzione nello spessore del rame (tipicamente ±10%)
• Considera i picchi di corrente e i transitori, non solo la corrente a regime stazionario

Considerazioni Termiche

• Usa via termiche per diffondere il calore ad altri strati o piani di massa
• Evita di instradare tracce ad alta corrente vicino a componenti sensibili alla temperatura
• Considera i "copper pour" per un'ulteriore diffusione del calore

Considerazioni sull'Alta Frequenza

• Le tracce più larghe hanno un'induttanza inferiore, vantaggiosa per l'erogazione di potenza
• Per le linee ad impedenza controllata, la larghezza della traccia influenza l'impedenza
• Considera l'effetto pelle per frequenze superiori a 100 MHz

Domande Frequenti

Qual è lo standard IPC-2221 per la larghezza delle tracce PCB?

L'IPC-2221 è uno standard industriale che fornisce linee guida per la progettazione di PCB, comprese le formule per calcolare la larghezza minima della traccia richiesta per trasportare una specifica corrente senza superare un determinato aumento di temperatura. La formula considera la corrente, l'aumento di temperatura ammissibile, lo spessore del rame e se la traccia è su uno strato esterno o interno.

Perché gli strati interni richiedono tracce più larghe rispetto agli strati esterni?

Gli strati interni hanno una dissipazione del calore meno efficiente perché sono circondati dal materiale del substrato FR4 invece che dall'aria. Gli strati esterni possono dissipare il calore nell'aria circostante in modo più efficace, quindi possono gestire la stessa corrente con tracce più strette. La formula IPC-2221 utilizza costanti diverse (k=0.048 per l'esterno, k=0.024 per l'interno) per tenere conto di questa differenza.

Quale aumento di temperatura dovrei usare per i calcoli delle tracce PCB?

I valori comuni di aumento della temperatura sono 10°C, 20°C o 30°C sopra l'ambiente. Un aumento di 10°C è conservativo e raccomandato per applicazioni critiche. Aumenti di temperatura più elevati consentono tracce più strette ma possono influire sui componenti vicini o ridurre l'affidabilità della traccia. Considera la temperatura operativa ambientale e i limiti termici dei componenti quando scegli.

In che modo il peso del rame influisce sulla larghezza della traccia?

Un rame più pesante (maggiore oz/ft²) significa tracce più spesse, che possono trasportare più corrente nella stessa larghezza. Il rame standard da 1 oz ha uno spessore di 35µm (1.38 mils). L'uso di rame da 2 oz raddoppia lo spessore, consentendo all'incirca la metà della larghezza per la stessa capacità di corrente. Tuttavia, il rame più pesante è più costoso e più difficile da incidere per design a passo fine.

Risorse Aggiuntive

• Circuito stampato - Wikipedia
• Standard IPC-2221 - IPC.org
• Proprietà del conduttore di rame - Wikipedia