Conception de PCB aux normes avec un calculateur IPC-2152

Si vous regardez les programmes de CAO électronique modernes, de nombreux calculateurs et simulateurs y sont intégrés. Mais l'un des domaines de simulation à la traîne par rapport à tous les autres est celui des simulations thermiques.

Les calculs thermiques sont importants, en particulier dans l'électronique de puissance et dans les appareils électroniques de haute fiabilité, même si ces systèmes consomment une puissance globale inférieure. Dans d'autres cas, nous pouvons déterminer le besoin potentiel d'une estimation de l'élévation de la température d'une piste en fonction du courant qui lui est fourni.

L'industrie s'est engagée dans un effort de longue haleine pour développer des normes couvrant les meilleures pratiques de gestion thermique. Les résultats ont été un peu décevants, entraînant un ensemble de formules empiriques définies dans l'IPC-2152 et l'IPC-2221.

Ces formules peuvent être utilisées pour estimer la relation entre le courant dans une piste, la largeur de piste et l'augmentation de la température attendue au-dessus de la température ambiante, en supposant que le projet se trouve sur un substrat de qualité FR4.

Graphiques ou calculateurs IPC-2152

Tout d'abord, un peu de contexte. Si vous connaissez l'évolution des normes IPC, vous vous souvenez peut-être que les normes initiales de conception de pistes étaient basées sur des résultats expérimentaux vieux de 50 ans sur des cartes en polyimide.

Les paramètres spécifiques du matériau FR4 ne diffèrent du polyimide que d'environ 2 %. Ainsi, les normes IPC-2152 s'appliquent également aux circuits imprimés sur FR4.

La relation entre l'élévation de la température dans un circuit imprimé, le courant et la zone transversale des pistes ont été synthétisées dans une série de graphiques et une formule empirique dans la norme IPC-2221B.

Depuis 2009, la norme IPC-2152 est devenue la norme majeure pour le dimensionnement des conducteurs sur un circuit imprimé. Bien que la norme soit importante pour la gestion thermique des PCB, ce n'est que récemment qu'un consensus a été trouvé sur la formule correcte à utiliser pour dimensionner les pistes.

Compte tenu du nombre de layouts possibles dans un circuit imprimé donné, les tableaux d'origine de la norme IPC-2221B ne sont pas applicables à toutes les conceptions.

La nouvelle norme IPC-2152 présente des résultats qui résument la relation entre les grandeurs suivantes :

• Conductivité thermique
• Épaisseur du PCB
• Distance entre un plan proche et la surface du plan
• Poids du cuivre
• Largeur de la piste
• Élévation de température attendue ou requise au-dessus de la température ambiante
• Pistes internes et externes

Les résultats ont été regroupés dans un ensemble de graphiques pour les pistes internes et externes, mais aucune formule explicite ne peut être utilisée pour calculer l'élévation de température attendue dans une piste de PCB.

Cependant, il est possible de choisir des données dans le graphique et de développer un modèle de loi de puissance mixte. C'est ce qu'on fait les gens de SMPS.us, et j'ai reproduit leur formule d'intégration ci-dessous. La formule principale qui en résulte est utilisée pour calculer la section transversale de la piste pour une élévation de température souhaitée au-dessus de la température ambiante (∆T) et du courant (I) :

Cette formule est implémentée dans l'application suivante du calculateur pour déterminer la largeur des pistes du PCB.

Calculateur IPC-2152

L'application ci-dessous offre un moyen simple de calculer la largeur de piste requise (en mil) pour un courant entrant et une température donnés. Saisissez simplement les limites d'élévation de température et le courant de fonctionnement (RMS) requis.

Si un plan est présent, un facteur de correction est appliqué pour déterminer la surface et la largeur de cuivre requises.

Résultats

Limites du calculateur IPC-2152

Les calculateurs IPC-2152 ne sont généralement valables que lorsque les pistes sont espacées de plus de 2,5 cm (1 pouce).

Toute personne ayant déja conçu un vrai circuit imprimé sait que cela n'est pas pratique pour les pistes de signaux, surtout lorsqu'elles se situent sur la même couche qu'une grande piste d'alimentation (par exemple, l'empilage SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR).

La température de pistes parallèles étroitement espacées et fonctionnant avec le même courant peut être supérieure à celle d'une seule piste. Une façon de traiter ce type de pistes est de les traiter comme une seule piste, où le courant combiné est utilisé pour déterminer la surface transversale combinée et l'élévation de température.

De plus, le calculateur ne tient compte d'aucune des techniques de gestion thermique standard utilisées dans un circuit imprimé, telles que :

• Les dissipateurs thermiques montés sur des composants
• La dissipation ou la génération de chaleur dans les composants actifs
• Le refroidissement par convection à la surface de la carte
• Le refroidissement par conduction dans le boîtier du dispositif.

La norme IPC-2152 est-elle toujours d'actualité ?

J'ai récemment eu le privilège de discuter de la précision et de l'applicabilité de l'IPC-2152 avec Mike Jouppi, un expert en mesures thermiques sur les circuits imprimés.

D'après Mike, il s'est avéré que les estimations produites par les nomogrammes et les équations de l'IPC-2152 ont tendance à surestimer la largeur de piste du PCB ou la largeur du polygone nécessaire pour maintenir l'élévation de température dans une certaine limite.

J'en ai discuté avec Mike dans un récent épisode du podcast Altium OnTrack.

Une surestimation de la largeur de piste du circuit imprimé n'est pas toujours une mauvaise chose.

Par exemple, si vous évaluez si un grand polygone utilisé comme piste d'alimentation restera froid, et que la largeur du polygone est beaucoup plus large que le résultat indiqué par la norme IPC-2152, vous pouvez être sûr que celui-ci n'aura aucun problème d'élévation de température.

Cependant, gardez à l'esprit des points concernant la norme IPC-2152, car ils peuvent amener un concepteur à surdimensionner une carte de circuit alors que cela n'est peut-être pas nécessaire.

Autres ressources pour calculer l'élévation de température des pistes

Pour conclure, il est important de noter que les résultats de l'IPC-2152 reposent sur les données et les méthodes initiales de l'IPC-2221 et que la norme inclut même les valeurs de largeur de pistes internes et externes de l'IPC-2221.

Si vous souhaitez développer votre propre calculateur pour essayer de résumer ces données en une équation principale similaire, ces normes sont un bon point de départ.

Si vous n'avez pas accès à un simulateur, en particulier un solveur thermique 3D, vous devrez utiliser des graphiques et des calculateurs pour estimer la température d'équilibre pour un courant moyen donné.

Dans la liste ci-dessous, vous trouverez quelques ressources pour calculer manuellement les limites d'élévation de température des pistes, les limites de courant et l'élévation de la température en utilisant la résistance thermique ou la conductivité thermique :

• Graphique donnant la largeur de piste en fonction du courant selon l'IPC-2152 (il s'agit d'un graphique de piste interne)
• Données IPC-2152 pour les pistes internes et externes
• Calculs de la limite de courant du plan électrique
• Comment utiliser la résistance thermique et la conductivité pour estimer la température
• Guide de l'analyse thermique des circuits imprimés

Je continuerai la mise à jour de ces ressources sur les capacités thermiques au fur et à mesure que nous développerons des applications Web et qu'elles seront disponibles pour les utilisateurs d'Altium Designer.

L'une des mises à jour les plus récentes d'Altium Designer^® comprend un calculateur automatique d'élévation de la température des pistes qui estime la limite de courant selon la norme IPC-2221. Même s'il existe encore des divergences entre les normes IPC-2221 et IPC-2152, vous pouvez utiliser les deux outils pour obtenir une estimation de la largeur de piste du PCB et vous assurer que votre conception est fiable.

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