Tableau: largeur de piste PCB versus courant pour les conceptions haute puissance

Même si le cuivre est un conducteur solide présentant un point de fusion élevé, vous devez faire de votre mieux pour maintenir les températures à un niveau bas. Pour cela, il est nécessaire de dimensionner correctement la largeur des rails d'alimentation afin de maintenir la température sous un certain seuil.

Vous devrez toutefois prendre en considération le courant circulant dans une piste donnée. Lorsque vous travaillez sur un rail d'alimentation, sur des composants haute tension ou sur d'autres parties de votre carte qui sont sensibles à la chaleur, vous pouvez déterminer la largeur de la piste d'alimentation que vous devez utiliser dans votre schéma au moyen d'un tableau représentant le rapport entre la largeur de piste et le courant.

L'autre option consiste à utiliser un calculateur basé sur les normes IPC-2152 ou IPC-2221. Il est également utile de savoir comment lire les tableaux d'équivalence indiquant la largeur de piste en fonction du courant dans les normes IPC, car un tableau représentant le rapport entre la largeur de piste et le courant n'est pas toujours exhaustif. Nous présentons dans cet article toutes les ressources dont vous avez besoin.

Maintenir une température basse dans une conception à haute intensité

Une question qui se pose souvent dans le cadre de la conception et du routage de PCB porte sur la méthode à utiliser pour déterminer la largeur de la piste d'alimentation recommandée pour maintenir la température de l'appareil en dessous d'un certain seuil pour un courant donné, ou inversement.

Généralement, on cherche à maintenir l'élévation de la température du conducteur de la carte entre 10 et 20 °C. Dans une conception à haute intensité, l'objectif est alors de dimensionner la largeur de la piste et le poids du cuivre de manière à ce que la température reste sous un certain seuil en présence du courant de fonctionnement requis.

L'IPC a développé des normes décrivant les méthodologies à utiliser pour tester et calculer l'élévation de la température des pistes des PCB pour des courants d'entrée spécifiques. Il s'agit des normes IPC-2221 et IPC-2152. Elles contiennent toutes deux une grande quantité d'informations sur ce sujet. Ces normes étant très détaillées, la plupart des concepteurs n'ont pas le temps de tout passer en revue pour déterminer la largeur des pistes en fonction du courant. C'est pourquoi nous avons compilé quelques ressources pour vous aider à déterminer la relation entre le courant et l'élévation de la température :

• Tableau représentant le rapport entre la largeur de piste et le courant (voir ci-dessous)
• Calculateur IPC-2221 pour l'élévation de la température des pistes
• Calculateur IPC-2152 pour l'élévation de la température des pistes

La vidéo ci-dessous présente les normes IPC pertinentes et explique en quoi elles diffèrent en termes de puissance prédictive et d'applicabilité. Elle présente également des ressources permettant de calculer les limites de courant ou l'élévation prévue de la température d'une piste pour un courant d'entrée donné.

Tableau: rapport entre la largeur de piste du PCB et le courant

Les normes IPC 2152 sont un bon point de départ pour le dimensionnement des pistes et des vias. Ces normes fournissent des formules simples pour calculer les limites de courant pour une élévation de température donnée, bien qu'elles ne prennent pas en compte le routage à impédance contrôlée. Cela étant dit, travailler avec un tableau représentant le rapport entre la largeur de piste et le courant est un excellent moyen de commencer lorsque l'on souhaite déterminer la largeur/zone transversale d'un PCB. Cela vous permet de déterminer efficacement la limite supérieure de courant autorisée dans vos pistes, que vous pouvez ensuite utiliser pour dimensionner vos pistes pour le routage à impédance contrôlée.

Lorsque la température augmente de manière significative dans un circuit imprimé soumis à un courant élevé, les propriétés électriques du substrat peuvent présenter des variations à des températures élevées. Les propriétés électriques et mécaniques de votre substrat changent avec la température, et la carte se décolore et se fragilise si elle est soumise à des températures élevées pendant de longues périodes.

C'est l'une des raisons pour lesquelles les concepteurs que je connais dimensionnent les pistes de manière à maintenir l'élévation de température en dessous de 10 °C. Cette méthode permet également de s'adapter à un large éventail de températures ambiantes, plutôt que de partir d'une température de fonctionnement spécifique.

Le tableau ci-dessous liste des largeurs de piste et les courants correspondants qui limiteront l'élévation de température à 10 °C avec un poids de cuivre de 1 oz/pi², soit 0,30 kg/m². Cela devrait vous donner une idée de la largeur de piste à utiliser dans votre circuit imprimé.

Le tableau ci-dessus s'applique aux nombreux PCB fabriqués selon un processus standard et il cible une élévation de température acceptable très prudente (10 °C). Il convient également à la plupart des stratifiés contenant des feuilles de cuivre standard (1 oz/pi², soit 0,30 kg/m²).

Vous avez probablement remarqué deux choses dans ce tableau :

• Différentes épaisseurs de pistes/différents poids de cuivre. L'épaisseur des pistes doit être calculée à partir du poids de cuivre de votre carte. Nous n'avons inclus que la valeur standard de 1 oz/pi², soit 0,30 kg/m², ci-dessus. Cependant, les circuits imprimés qui fonctionneront à des courants élevés nécessitent souvent un poids de cuivre plus important pour s'adapter à une élévation de température plus élevée.

• Substrats alternatifs. Les données ci-dessus concernent le substrat FR4, qui couvre une grande partie des PCB produits. Cependant, certaines applications avancées peuvent nécessiter un PCB avec noyau en aluminium, un substrat en céramique ou un stratifié haute vitesse avancé avec un système de résine alternatif. Si vous travaillez avec un substrat possédant une conductivité thermique plus élevée, la température de vos pistes sera plus faible, car davantage de chaleur sera dissipée. À titre de première approximation, l'élévation de température dépendra du rapport entre la conductivité thermique du matériau de substrat souhaité et celle du FR4.

Utilisation du nomogramme IPC 2152

Si vous souhaitez utiliser différents poids de cuivre sur des couches internes ou externes, l'ensemble de nomogrammes de la norme IPC 2152 vous sera utile. Ce tableau vous permet de facilement dimensionner les conducteurs en fonction d'un courant et d'une élévation de température spécifiques.

Vous pouvez également déterminer le courant qui produira une élévation de température spécifique si vous avez déjà choisi la largeur de piste du circuit imprimé. Avec cet outil, vous pouvez vérifier visuellement la limite de courant de votre piste sans avoir à trouver ou créer un calculateur IPC-2152.

Les deux exemples du nomogramme ci-dessous en sont l'illustration. Il convient de noter que le graphique ci-dessous porte uniquement sur les pistes internes. Pour voir ce même graphique pour les pistes externes, consultez cet article de Jeff Loyer.

Nomogramme IPC 2152 représentant le rapport entre la largeur de la piste d'alimentation du PCB et l'augmentation du courant et de la température. Image modifiée par l'utilisateur Daniel Grillo sur StackExchange.

La flèche rouge montre comment déterminer le courant maximal pour une largeur de piste d'alimentation, un poids de cuivre (c'est-à-dire une section transversale de piste) et une élévation de température souhaitées. Dans cet exemple, la largeur du conducteur (140 mils) est choisie en premier et la flèche rouge suit un tracé horizontal jusqu'au poids de cuivre souhaité (1 oz/pi², soit 0,30 kg/m² ). Nous remontons ensuite verticalement jusqu'à l'élévation de température souhaitée (10 °C), puis nous retournons vers l'axe Y pour trouver la limite de courant correspondante (~2,75 A).

La flèche orange va dans l'autre sens. Nous sommes partis du courant souhaité (1 A) et nous avons suivi un tracé horizontal jusqu'à l'élévation de température souhaitée (30 °C). Nous descendons ensuite verticalement pour déterminer les dimensions de la piste.

Dans cet exemple, supposons que nous choisissions un poids de cuivre de 0,5 oz/pi² (0,15 kg/m²). Après être descendus jusqu'à cette ligne, nous revenons horizontalement vers l'axe Y pour trouver la largeur du conducteur, qui est d'environ 40 mils. Supposons maintenant que nous voulions utiliser un poids de cuivre de 1 oz/pi² (0,30 kg/m²) ; nous constaterions alors que la largeur de la piste d'alimentation requise est de 20 mils.

Si vous utilisez Altium Designer^®, vous aurez accès à divers outils de routage, dont un calculateur IPC-2221 permettant de déterminer la limite de courant d'une piste pour une élévation de température cible de 20 °C. Les puissants outils de schéma et de routage de la largeur de pistes des PCB d'Altium Designer reposent sur un modèle de conception unifié unique qui vous permet de spécifier les pistes et les tailles dont vous avez besoin dans vos règles de conception. Lorsque vous avez terminé votre conception et que vous souhaitez transmettre des fichiers à votre fabricant, la plateforme Altium 365^™ vous permet de collaborer et de partager vos projets en toute simplicité.

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