Calculadora IPC-2221 para la corriente y el calentamiento de las pistas de una PCB

La norma IPC-2221 incluye muchos requisitos para el diseño y la fabricación de placas de circuito impreso y hay varias calculadoras online que se han desarrollado en función de este estándar. Además de los cálculos de impedancia y anillo anular, otra de las principales fórmulas especificadas en esta norma relaciona el aumento de temperatura, así como el ancho y la corriente de las pistas. Tanto la norma IPC-2221 como la IPC-2152 incluyen estas pautas sobre el diseño para la fiabilidad térmica y se ha debatido bastante sobre la aplicabilidad de cada una de ellas.

Si has seleccionado la norma IPC-2221 como métrica de cumplimiento, entonces estás de suerte. Hemos creado una calculadora de IPC-2221 que puedes utilizar para estimar los límites del ancho de las pistas para un límite de calentamiento determinado. Si eres usuario de Altium Designer, puedes acceder a estas funciones en el editor de PCB mientras trabajas en el enrutamiento de pistas. Sigue leyendo para obtener más información sobre la fórmula de análisis térmico de la IPC-2221 y encontrarás nuestra aplicación de cálculo más abajo.

¿En qué consiste la IPC-2221?

La norma IPC-2221 es un estándar genérico de calificación y aceptación de placas de circuito impreso para PCB y PCBA. Los requisitos del estándar definen ciertas restricciones de diseño que pretenden garantizar la seguridad, la fiabilidad y la fabricabilidad. Las calificaciones en el estándar son normas genéricas, los estándares más específicos aplicables a los diferentes tipos de placas se encuentran en toda la serie de normas 2220.

En la norma IPC-2221, hay dos secciones que describen la relación entre los comportamientos térmico y eléctrico de los conductores en una PCB:

• Sección 6.2: Requisitos de material conductor
• Apéndice B

Estas dos secciones contienen un par de gráficos que relacionan el ancho de la pista con la corriente transportada por esta, y suelen citarse en el contexto de la CIP-2152. Puedes ver estos gráficos para pistas internas y para pistas externas en los artículos de los enlaces. También hay una fórmula única recogida en la IPC-2221, sección 6.2, que relaciona el área de la sección transversal (A en mils cuadrados) de la pista hasta un aumento de temperatura deseado por encima de la temperatura ambiente (T en °C) y la corriente media (I en amperios):

Esta fórmula es muy sencilla y se puede utilizar en la calculadora de IPC-2221 que indico a continuación. Si utilizas esta fórmula para determinar el área transversal de la pista, deberás utilizar el peso del cobre (espesor) para determinar el ancho del conductor. El ancho que calcules será el valor de ancho mínimo necesario para limitar el aumento de temperatura por debajo del valor que hayas especificado para ∆T.

Calculadora de ancho de pistas IPC-2221

La siguiente aplicación implementa la fórmula anterior y la utiliza para calcular el ancho de pista necesario para mantener la temperatura por debajo de un valor determinado. En otras palabras, puedes introducir el valor del peso del cobre en la calculadora y te devolverá el ancho de pista requerido según tu límite de aumento de temperatura y corriente. Utiliza la siguiente calculadora de IPC-2221 para calcular en ancho de pistas de la PCB:

Resultados

¿Existen este tipo de herramientas en línea en un sistema CAD? Los usuarios de Altium Designer pueden acceder a una calculadora IPC-2221 automatizada dentro de las herramientas de enrutamiento en la ventana del editor de PCB. Para utilizar esta función, solo tienes que seleccionar una pista en la red que deseas analizar y, dentro del panel de propiedades, expandir los datos en el área de información de la red. En ella verás un cálculo de la corriente máxima para esa sección de la pista.

• La calculadora IPC-2221 de Altium Designer presupone que el aumento de temperatura permitido está limitado a ∆T = 20 °C.

La calculadora de IPC-2221 anterior funciona para cualquier arco que pueda haber en tus enrutamientos, pero una actualización reciente ha ampliado su funcionalidad para incluir secciones de ajuste de longitud que no se hayan convertido en "primitivas" libres. Si has instalado las últimas actualizaciones para la versión 22, la calculadora IPC-2221 de Altium Designer ahora funcionará con objetos de ajuste de la longitud en el diseño de la PCB. El mismo proceso que se muestra en el GIF anterior también se puede utilizar con secciones de ajuste de la longitud.

Algunos apuntes sobre la fórmula IPC-2221

Hay algunos puntos importantes a tener en cuenta sobre la fórmula IPC-2221 mostrada anteriormente en cuanto a su exactitud y ámbito de aplicación.

• La fórmula se basa en los gráficos de los artículos cuyos enlaces se indican anteriormente.
• La fórmula asume que la placa de circuito impreso está en un entorno de aire en condiciones normalizadas de presión y temperatura.
• Las placas de PCB de prueba utilizadas para desarrollar la fórmula simplemente usaban una pista en una placa gruesa, no había cobre adicional cerca (planos o vertido) para ayudar a transportar el calor.
• Múltiples pistas paralelas que estuvieran muy juntas podrían interpretarse como una sola pista de gran tamaño a efectos de transportar corrientes elevadas.
• Si la placa de PCB es delgada (de unos 30 mils o incluso menos), el estándar recomienda una reducción del 15 % en lugar del 10 %.
• Los sustratos con una conductividad térmica más alta que los laminados de fibra de vidrio epoxi estándar tendrán diferentes límites de corriente y de ancho de pista.

Todo esto implica que, cuando empezamos a examinar las PCB modernas, una calculadora IPC-2221 arrojará unos resultados muy conservadores. En otras palabras, si incluyes los planos y el cobre vertido alrededor de las pistas, lo más probable es que el valor de capacidad de carga de corriente calculado sea una subestimación. Por el contrario, la anchura mínima de pista calculada probablemente sea una sobreestimación. Ten en cuenta estos puntos cuando utilices estos resultados, ya que la calculadora puede predecir un ancho de pista necesario excesivamente grande.

Debido a esta conocida incongruencia respecto a los diseños de PCB actuales, surgió la motivación de desarrollar una nueva norma que proporcionara una mayor especificidad y, por tanto, una mayor precisión. El resultado fue la norma IPC-2152, que se describe a continuación.

IPC-2221 vs. IPC-2152: ¿cuál es la más precisa?

A menudo he afirmado que las calculadoras online tienen sus limitaciones y, como he descrito en los puntos anteriores, la calculadora IPC-2221 que se muestra arriba no es la excepción. Es cierto que el valor de ancho mínimo calculado a partir de la norma IPC-2221 sea probablemente una sobreestimación, por ese motivo, la norma IPC-2152 intentó ampliar el conjunto de datos disponibles para incluir varios nomogramas a fin de determinar el ancho de la pista, el aumento de la temperatura y los límites de corriente.

Mientras investigaba para este artículo, encontré un antiguo documento de trabajo sobre la IPC-2152 escrito por Mike Jouppi, uno de nuestros invitados al pódcast. Este documento ilustra la profundidad con la que la IPC-2152 intentó captar las diferentes condiciones de diseño presentes en las placas de circuitos, incluidas las variaciones en el peso del cobre, la presencia de planos, la distancia pista-plano y el uso en aire vs. en el vacío.

¿Por qué ha habido tantas investigaciones sobre la IPC-2152? El gráfico a continuación debería ilustrar por qué se buscaba tanto detalle. El siguiente gráfico se extrae de la IPC-2221, apéndice B. Los datos de este gráfico comparan los valores del aumento de temperatura medidos para una corriente determinada suministrada a pistas del mismo tamaño. Podemos ver que los resultados de la IPC sobreestiman considerablemente el aumento de temperatura esperado para todos los valores de corriente. Por este motivo, las calculadoras basadas en la IPC-2221 tienden a sobreestimar el ancho del conductor requerido.

Con el fin de ayudar a los usuarios a tomar las mejores decisiones de diseño para sus productos, especialmente en el caso de que sea importante una alta fiabilidad, hemos recopilado varios recursos que deberían ayudarte a entender mejor el impacto del ancho de la pista en el aumento de la temperatura y los límites de corriente:

• Calculadora gratuita online para IPC-2152
• Ancho de pista vs. tabla actual en IPC-2152 (muestra una tabla de pista interna)
• Datos IPC-2152 para pistas internas y externas (artículo en inglés)
• Cálculos del límite de corriente del plano de potencia (artículo en inglés)
• Cómo utilizar la resistencia térmica y la conductividad para estimar la temperatura (artículo en inglés)
• Guía para el análisis térmico de placas de circuitos (artículo en inglés)

La próxima vez que quieras ver rápidamente los resultados de los cálculos IPC-2221 de tu PCB, utiliza el mejor conjunto de herramientas de enrutamiento de PCB del sector, que te ofrece Altium Designer®. Cuando hayas terminado el diseño y desees enviar los archivos al fabricante, la plataforma Altium 365™ te facilitará la colaboración y el uso compartido de los proyectos.

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