เครื่องคำนวณความกว้างลายวงจร PCB

เครื่องคำนวณความกว้างลายวงจร PCB ใช้ มาตรฐาน IPC-2221 เพื่อกำหนดความกว้างของลายวงจรขั้นต่ำที่จำเป็นสำหรับกระแสไฟฟ้า อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น และความหนาของทองแดงที่กำหนด นี่เป็นสิ่งจำเป็นสำหรับการออกแบบแผ่นวงจรพิมพ์ที่มีความน่าเชื่อถือ ซึ่งสามารถรองรับกำลังไฟฟ้าที่ต้องการได้โดยไม่เกิดความร้อนสูงเกินไปหรือเสียหาย

IPC-2221 คืออะไร?

IPC-2221 คือมาตรฐานอุตสาหกรรมที่มีชื่อว่า "Generic Standard on Printed Board Design" เผยแพร่โดย Association Connecting Electronics Industries (IPC) โดยให้แนวทางที่ครอบคลุมสำหรับการออกแบบ PCB รวมถึงสูตรสำหรับคำนวณความกว้างลายวงจรขั้นต่ำที่จำเป็นในการนำกระแสไฟฟ้าที่ระบุ

มาตรฐานนี้กำหนดความสัมพันธ์ระหว่างความสามารถในการนำกระแสและรูปร่างของลายวงจรผ่านสูตรที่ได้จากการทดลองและการทดสอบอย่างกว้างขวาง

สูตรความกว้างลายวงจรตาม IPC-2221

การคำนวณประกอบด้วยสองขั้นตอนหลัก:

ขั้นตอนที่ 1: คำนวณพื้นที่หน้าตัด

โดยที่:

• A = พื้นที่หน้าตัดในหน่วย mils² (square mils)
• I = กระแสไฟฟ้าในหน่วยแอมแปร์
• k = ค่าคงที่เลเยอร์ (0.048 สำหรับภายนอก, 0.024 สำหรับภายใน)
• ΔT = อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นเหนืออุณหภูมิแวดล้อมในหน่วย °C
• b = 0.44 (ค่าคงที่เลขยกกำลัง)
• c = 0.725 (ค่าคงที่เลขยกกำลัง)

ขั้นตอนที่ 2: คำนวณความกว้างลายวงจร

โดยที่:

• W = ความกว้างลายวงจรในหน่วย mils
• A = พื้นที่หน้าตัดจากขั้นตอนที่ 1
• T = ความหนาของทองแดงในหน่วย mils

เลเยอร์ภายนอก vs เลเยอร์ภายใน

มาตรฐาน IPC-2221 แยกความแตกต่างระหว่างเลเยอร์ภายนอก (ด้านนอก) และเลเยอร์ภายใน เนื่องจากมีลักษณะการระบายความร้อนที่ต่างกัน:

• เลเยอร์ภายนอก (External Layers): สัมผัสกับอากาศ ช่วยให้ระบายความร้อนได้ดีกว่าผ่านการพาความร้อน ใช้ค่า k = 0.048
• เลเยอร์ภายใน (Internal Layers): ถูกล้อมรอบด้วยวัสดุ FR4 ซึ่งมีค่าการนำความร้อนต่ำ ใช้ค่า k = 0.024 (ครึ่งหนึ่งของภายนอก)

หมายความว่าลายวงจรในเลเยอร์ภายในมักจะต้องกว้างเป็นสองเท่าของเลเยอร์ภายนอกเพื่อให้รองรับกระแสไฟฟ้าได้เท่ากัน

ตารางอ้างอิงน้ำหนักทองแดง

แนวทางการเลือกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น

การเลือกอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่เหมาะสมขึ้นอยู่กับการใช้งานของคุณ:

• เพิ่มขึ้น 10°C: ตัวเลือกที่เน้นความปลอดภัยสำหรับการใช้งานที่สำคัญ งานทหาร/อวกาศ และบอร์ดที่มีอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิอยู่ใกล้ๆ
• เพิ่มขึ้น 20°C: ทั่วไปสำหรับการใช้งานเชิงพาณิชย์ที่มีการระบายอากาศเพียงพอ
• เพิ่มขึ้น 30°C: ยอมรับได้สำหรับการใช้งานในอุตสาหกรรมที่มีการระบายความร้อนที่ดี
• เพิ่มขึ้น 40°C+: เฉพาะสำหรับการใช้งานที่มีพื้นที่จำกัดมากและคาดว่าจะเกิดกระแสกระชากในระยะเวลาสั้นๆ เท่านั้น

ข้อสำคัญ: อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นคือค่าที่บวกเพิ่มจากอุณหภูมิแวดล้อม หากอุปกรณ์ของคุณทำงานในสภาพแวดล้อม 40°C และยอมให้เพิ่มขึ้นได้ 20°C ลายวงจรอาจมีอุณหภูมิสูงถึง 60°C

ความต้านทานและแรงดันตกคร่อม

สำหรับการใช้งานที่ไวต่อกำลังไฟฟ้า ความต้านทานของลายวงจรและแรงดันตกคร่อมเป็นปัจจัยที่สำคัญมาก:

โดยที่:

• R = ความต้านทานในหน่วยโอห์ม (Ω)
• ρ = ความต้านทานจำเพาะของทองแดง (1.7 × 10⁻⁸ Ω·m ที่ 20°C)
• L = ความยาวลายวงจร
• A = พื้นที่หน้าตัด

แรงดันตกคร่อมลายวงจรคือ:

และกำลังไฟฟ้าที่สูญเสียไปในรูปของความร้อน:

แนวทางปฏิบัติที่ดีที่สุดในการออกแบบ

เผื่อระยะความปลอดภัย

• เพิ่มระยะความปลอดภัย 20-50% จากความกว้างที่คำนวณได้ เพื่อรองรับความผันแปรในการผลิต
• พิจารณาค่าความคลาดเคลื่อนในการผลิตของความหนาทองแดง (ปกติ ±10%)
• พิจารณากระแสกระชากและกระแสชั่วครู่ ไม่ใช่แค่กระแสในสภาวะคงที่

การจัดการความร้อน

• ใช้ Thermal vias เพื่อกระจายความร้อนไปยังเลเยอร์อื่นหรือระนาบกราวด์
• หลีกเลี่ยงการวางลายวงจรกระแสสูงใกล้กับอุปกรณ์ที่ไวต่ออุณหภูมิ
• พิจารณาการใช้ Copper pours เพื่อช่วยกระจายความร้อนเพิ่มเติม

การพิจารณาความถี่สูง

• ลายวงจรที่กว้างกว่าจะมีค่าความเหนี่ยวนำต่ำกว่า ซึ่งเป็นประโยชน์ต่อการจ่ายกำลังไฟฟ้า
• สำหรับสายส่งสัญญาณที่ควบคุมอิมพีแดนซ์ ความกว้างของลายวงจรจะส่งผลต่ออิมพีแดนซ์
• พิจารณาปรากฏการณ์ Skin effect สำหรับความถี่ที่สูงกว่า 100 MHz

คำถามที่พบบ่อย

มาตรฐาน IPC-2221 สำหรับความกว้างลายวงจร PCB คืออะไร?

IPC-2221 คือมาตรฐานอุตสาหกรรมที่ให้แนวทางในการออกแบบ PCB รวมถึงสูตรการคำนวณความกว้างของลายวงจรขั้นต่ำที่จำเป็นในการรองรับกระแสไฟฟ้าที่กำหนด โดยไม่ให้อุณหภูมิสูงเกินค่าที่กำหนด สูตรจะพิจารณาจากกระแสไฟฟ้า, อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่ยอมรับได้, ความหนาของทองแดง และตำแหน่งของลายวงจรว่าอยู่เลเยอร์ภายนอกหรือภายใน

ทำไมเลเยอร์ภายในจึงต้องการลายวงจรที่กว้างกว่าเลเยอร์ภายนอก?

เลเยอร์ภายในมีการระบายความร้อนที่มีประสิทธิภาพน้อยกว่า เนื่องจากถูกล้อมรอบด้วยวัสดุ FR4 แทนที่จะเป็นอากาศ เลเยอร์ภายนอกสามารถระบายความร้อนสู่蜕อากาศรอบข้างได้ดีกว่า จึงสามารถรองรับกระแสไฟฟ้าเท่ากันได้ด้วยลายวงจรที่แคบกว่า สูตร IPC-2221 จึงใช้ค่าคงที่ต่างกัน (k=0.048 สำหรับภายนอก, k=0.024 สำหรับภายใน) เพื่อชดเชยความแตกต่างนี้

ควรใช้อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้น (Temperature Rise) เท่าใดในการคำนวณลายวงจร PCB?

ค่าอุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่นิยมใช้คือ 10°C, 20°C หรือ 30°C เหนืออุณหภูมิแวดล้อม การเพิ่มขึ้น 10°C เป็นค่าที่ปลอดภัยและแนะนำสำหรับการใช้งานที่สำคัญ อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นสูงกว่านี้ช่วยให้ใช้ลายวงจรที่แคบลงได้ แต่อาจส่งผลต่ออุปกรณ์ข้างเคียงหรือลดความน่าเชื่อถือของลายวงจร ควรพิจารณาอุณหภูมิแวดล้อมและขีดจำกัดความร้อนของอุปกรณ์ประกอบด้วย

น้ำหนักทองแดงส่งผลต่อความกว้างของลายวงจรอย่างไร?

ทองแดงที่มีน้ำหนักมากขึ้น (oz/ft² สูงขึ้น) หมายถึงลายวงจรที่หนาขึ้น ซึ่งสามารถรับกระแสได้มากขึ้นในความกว้างเท่าเดิม ทองแดงมาตรฐาน 1 oz หนา 35µm (1.38 mils) การใช้ทองแดง 2 oz จะทำให้ความหนาเพิ่มขึ้นเป็นสองเท่า ทำให้ใช้ความกว้างลดลงได้ประมาณครึ่งหนึ่งสำหรับความจุเท่าเดิม อย่างไรก็ตาม ทองแดงที่หนากว่าจะมีราคาสูงกว่าและกัดลายวงจรได้ยากกว่าในการออกแบบที่มีรายละเอียดสูง

แหล่งข้อมูลเพิ่มเติม

• แผงวงจรพิมพ์ - Wikipedia
• มาตรฐาน IPC-2221 - IPC.org
• คุณสมบัติของตัวนำทองแดง - Wikipedia