Kalkulator szerokości ścieżki PCB

Kalkulator szerokości ścieżki PCB wykorzystuje standard IPC-2221 do określenia minimalnej szerokości ścieżki wymaganej dla danego natężenia prądu, przyrostu temperatury i grubości miedzi. Jest to niezbędne do projektowania niezawodnych płytek obwodów drukowanych, które mogą obsłużyć wymaganą moc bez przegrzania lub awarii.

Co to jest IPC-2221?

IPC-2221 to standard branżowy zatytułowany „Generic Standard on Printed Board Design” opublikowany przez Association Connecting Electronics Industries (IPC). Dostarcza on kompleksowych wytycznych dotyczących projektowania PCB, w tym wzorów do obliczania minimalnej szerokości ścieżki potrzebnej do przewodzenia określonego prądu.

Standard ten definiuje relację między obciążalnością prądową a geometrią ścieżki poprzez empirycznie wyprowadzone wzory oparte na rozległych testach.

Wzór IPC-2221 na szerokość ścieżki

Obliczenia obejmują dwa główne kroki:

Krok 1: Obliczanie pola przekroju poprzecznego

Gdzie:

• A = Pole przekroju w mils² (milach kwadratowych)
• I = Natężenie prądu w Amperach
• k = Stała warstwy (0,048 dla zewnętrznych, 0,024 dla wewnętrznych)
• ΔT = Przyrost temperatury powyżej otoczenia w °C
• b = 0,44 (stała wykładnicza)
• c = 0,725 (stała wykładnicza)

Krok 2: Obliczanie szerokości ścieżki

Gdzie:

• W = Szerokość ścieżki w milach (mils)
• A = Pole przekroju z kroku 1
• T = Grubość miedzi w milach (mils)

Warstwy zewnętrzne vs wewnętrzne

Standard IPC-2221 rozróżnia warstwy zewnętrzne (outer) i wewnętrzne (internal), ponieważ mają one różną charakterystykę rozpraszania ciepła:

• Warstwy zewnętrzne: Narażone na kontakt z powietrzem, co pozwala na lepsze odprowadzanie ciepła poprzez konwekcję. Stosuje się k = 0,048.
• Warstwy wewnętrzne: Otoczone podłożem FR4, które ma słabą przewodność cieplną. Stosuje się k = 0,024 (połowa wartości dla zewnętrznych).

Oznacza to, że ścieżki na warstwach wewnętrznych zazwyczaj muszą być około dwa razy szersze niż ścieżki na warstwach zewnętrznych przy tej samej obciążalności prądowej.

Odniesienie do wagi miedzi

Wytyczne dotyczące przyrostu temperatury

Wybór odpowiedniego przyrostu temperatury zależy od zastosowania:

• Przyrost 10°C: Konserwatywny wybór dla zastosowań krytycznych, militarnych/lotniczych oraz płytek z komponentami wrażliwymi na temperaturę w pobliżu.
• Przyrost 20°C: Typowy dla ogólnych zastosowań komercyjnych z odpowiednią wentylacją.
• Przyrost 30°C: Akceptowalny dla zastosowań przemysłowych z dobrym odprowadzaniem ciepła.
• Przyrost 40°C+: Tylko dla zastosowań, gdzie przestrzeń jest ekstremalnie ograniczona i spodziewane są tylko krótkotrwałe skoki prądu.

Ważne: Przyrost temperatury liczony jest powyżej temperatury otoczenia. Jeśli urządzenie pracuje w temperaturze 40°C przy dopuszczalnym przyroście 20°C, ścieżka może osiągnąć 60°C.

Rezystancja i spadek napięcia

W zastosowaniach wrażliwych na moc, rezystancja ścieżki i spadek napięcia są kluczowymi czynnikami:

Gdzie:

• R = Rezystancja w Ohmach
• ρ = Rezystywność miedzi (1,7 × 10⁻⁸ Ω·m przy 20°C)
• L = Długość ścieżki
• A = Pole przekroju poprzecznego

Spadek napięcia na ścieżce wynosi wtedy:

A moc rozpraszana jako ciepło:

Najlepsze praktyki projektowe

Marginesy bezpieczeństwa

• Dodaj 20-50% marginesu bezpieczeństwa do obliczonych szerokości ze względu na zmienność produkcji.
• Uwzględnij tolerancje produkcyjne grubości miedzi (zazwyczaj ±10%).
• Bierz pod uwagę skoki prądu i stany nieustalone, a nie tylko prąd stały.

Kwestie termiczne

• Używaj przelotek termicznych (thermal vias), aby odprowadzać ciepło do innych warstw lub płaszczyzn masy.
• Unikaj prowadzenia ścieżek wysokoprądowych w pobliżu komponentów wrażliwych na temperaturę.
• Rozważ zastosowanie wylewek miedzi dla dodatkowego rozpraszania ciepła.

Kwestie wysokich częstotliwości

• Szersze ścieżki mają niższą indukcyjność, co jest korzystne dla dostarczania mocy.
• Dla linii o kontrolowanej impedancji, szerokość ścieżki bezpośrednio wpływa na impedancję.
• Uwzględnij efekt naskórkowości dla częstotliwości powyżej 100 MHz.

Często zadawane pytania

Czym jest standard IPC-2221 dla szerokości ścieżek PCB?

IPC-2221 to standard branżowy zawierający wytyczne dotyczące projektowania PCB, w tym wzory do obliczania minimalnej szerokości ścieżki wymaganej do bezpiecznego przewodzenia określonego prądu bez przekraczania zadanego przyrostu temperatury. Wzór uwzględnia natężenie prądu, dopuszczalny wzrost temperatury, grubość miedzi oraz typ warstwy.

Dlaczego warstwy wewnętrzne wymagają szerszych ścieżek niż warstwy zewnętrzne?

Warstwy wewnętrzne mają gorsze odprowadzanie ciepła, ponieważ są zamknięte w laminacie FR4. Warstwy zewnętrzne oddają ciepło do otaczającego powietrza, co pozwala im na przewodzenie tego samego prądu przy mniejszym przekroju. Wzór IPC-2221 stosuje różne stałe, aby zrekompensować tę różnicę termiczną.

Jaki przyrost temperatury powinienem przyjąć?

Zazwyczaj przyjmuje się 10°C dla projektów o wysokiej niezawodności lub 20-30°C dla elektroniki użytkowej. Pamiętaj, że wybrana wartość zostanie dodana do maksymalnej temperatury otoczenia, w której będzie pracować urządzenie.

Jak waga miedzi wpływa na projekt?

Grubsza miedź pozwala na stosowanie węższych ścieżek dla tego samego prądu, co pomaga oszczędzić miejsce na płytce. Jednak cięższa miedź jest droższa i może być trudniejsza w precyzyjnym trawieniu przy bardzo gęstych projektach.

Dodatkowe zasoby

• Płytka drukowana - Wikipedia
• Standard IPC-2221 - IPC.org
• Właściwości miedzi - Wikipedia