Calcolatrice IPC-2221 per la corrente di traccia e il riscaldamento dei PCB

Lo standard IPC-2221 include molti requisiti per la progettazione e la producibilità dei circuiti stampati e sono disponibili diversi calcolatori online sviluppati sulla base di questo standard. Oltre ai calcoli di impedenza, anelli anulari e fori di via, una delle altre formule principali specificate in questo standard riguarda l'aumento della temperatura, la larghezza della traccia e la corrente della traccia. Lo standard IPC-2221 e lo standard IPC-2152 includono entrambi questa linea guida alla progettazione per l'affidabilità termica, e si è discusso dell'applicabilità di ciascuno standard.

Se hai selezionato IPC-2221 come metrica di conformità, sei fortunato. Abbiamo creato un'applicazione IPC-2221 calculator semplice che puoi utilizzare per stimare i limiti di larghezza della traccia per un determinato limite di riscaldamento. Se sei un utente Altium Designer®, puoi accedere a queste funzionalità nell'editor PCB mentre lavori al routing del circuito stampato. Continua a leggere per scoprire la formula dell'analisi termica contenuta nell'IPC-2221 e troverai il nostro calcolatore IPC-2221 qui sotto.

Cosa contiene l'IPC-2221?

Lo standard IPC-2221 è uno standard generico di qualificazione e accettazione dei circuiti stampati per PCB/PCBA. I requisiti dello standard definiscono determinati vincoli di progettazione intesi a garantire sicurezza, affidabilità e producibilità. Le qualifiche contenute nello standard sono standard generici; standard più specifici che si applicano a diversi tipi di schede si trovano nella serie di standard 2220.

Nello standard IPC-2221, esistono due sezioni che descrivono il rapporto tra il comportamento termico ed elettrico dei conduttori in un PCB:

• Sezione 6.2 - Requisiti dei materiali conduttivi
• Appendice B

Queste due sezioni contengono una coppia di grafici che mettono in relazione la larghezza della traccia con la corrente trasportata da una traccia, che vengono spesso citate nel contesto dell'IPC-2152. Puoi visualizzare questi grafici per le tracce interne e per le tracce esterne negli articoli collegati. C'è anche una formula unica fornita nell'IPC-2221, sezione 6.2, che mette in relazione l'area della sezione trasversale (A in mm² ) della traccia con l'aumento desiderato della temperatura rispetto a quella ambiente (∆T in °C) e la corrente media (I in Amp):

Questa formula è molto semplice e può essere utilizzata nel calcolatore che ho fornito qui sotto. Se utilizzi questa formula per determinare l'area della sezione trasversale della traccia, dovrai poi utilizzare il peso del rame (spessore) per determinare la larghezza del conduttore. Questa larghezza calcolata sarà un valore di larghezza minima richiesto per limitare l'aumento di temperatura al di sotto del valore specificato per ∆T.

Calcolatore IPC-2221 per la larghezza di traccia

L'applicazione seguente implementa la formula precedente e la utilizza per calcolare la larghezza della traccia necessaria per mantenere la temperatura al di sotto di un determinato valore. In altre parole, puoi inserire il valore del peso del rame nel calcolatore e questo determinerà la larghezza della traccia richiesta in base alla corrente e al limite di aumento della temperatura.

Risultati

Esistono strumenti di questo tipo online in un sistema CAD? Gli utenti di Altium Designer possono accedere a un calcolatore automatico IPC-2221 all'interno degli strumenti di routing nella finestra dell'editor PCB. Per utilizzare questa funzione, basta selezionare una traccia nella rete che si desidera analizzare e, nel pannello Proprietà, espandere i dati nell'area Informazioni sulla rete. Qui vedrai un calcolo della corrente massima per la sezione di traccia di riferimento.

• Il calcolatore IPC-2221 di Altium Designer presume che l'aumento di temperatura consentito sia limitato a ∆T = 20 °C.

Il calcolatore di cui sopra funziona già per tutti gli archi presenti nei tuoi percorsi, ma un recente aggiornamento ha ampliato la funzionalità per includere le sezioni di sintonizzazione della lunghezza che non sono state convertite in primitive libere. Se hai installato gli ultimi aggiornamenti per la Versione 22, il calcolatore IPC-2221 all'interno di Altium Designer ora funziona sugli oggetti di regolazione della lunghezza nel layout PCB. Lo stesso processo mostrato nella GIF qui sopra può essere utilizzato anche con le sezioni di regolazione della lunghezza.

Alcune note sulla formula IPC-2221

La formula mostrata sopra presenta alcuni punti importanti da notare in termini di accuratezza e ambito di applicabilità.

• La formula si basa sui grafici riportati negli articoli collegati sopra
• La formula presuppone che la scheda si trovi in un ambiente d'aria a STP
• Le schede di prova usate per sviluppare la formula utilizzavano semplicemente una traccia su una tavola spessa, non c'era rame aggiuntivo nelle vicinanze (piani o versamento) per favorire il trasporto del calore
• Più tracce parallele vicine tra loro potrebbero essere trattate come un'unica grande traccia ai fini del trasporto di correnti elevate
• Se la scheda è sottile (~30 mm o meno), lo standard consiglia un declassamento del 15% anziché del 10%
• I substrati con conduttività termica più elevata rispetto ai laminati standard in fibra di vetro epossidica avranno limiti di corrente/larghezza di traccia diversi

Tutto ciò significa che, quando iniziamo a prendere in considerazione i PCB moderni, i risultati di un calcolatore IPC-2221 sono molto conservativi. In altre parole, se includi i piani e i versamenti di rame intorno alle tracce, il valore della capacità di carico attuale calcolato è molto probabilmente una sottostima. Al contrario, la larghezza minima della traccia calcolata è probabilmente una sovrastima. Tieni presente questi punti quando utilizzi questi risultati, perché il calcolatore potrebbe prevedere una larghezza della traccia eccessiva.

A causa di questa nota incongruenza con le progettazioni PCB odierne, si è reso necessario sviluppare un nuovo standard che fornisse una maggiore specificità e quindi una maggiore precisione. Si tratta dello standard IPC-2152, che viene illustrato di seguito.

IPC-2221 vs. IPC-2152: qual è più preciso?

Ho affermato spesso che i calcolatori online hanno i loro limiti e il calcolatore IPC-2221 mostrato sopra non fa eccezione, come ho descritto nei punti precedenti. È vero che il valore di larghezza minima calcolato dall'IPC-2221 è probabilmente una sovrastima, pertanto lo standard IPC-2152 ha cercato di ampliare la serie di dati disponibili al fine di includere più nomografi per determinare la larghezza della traccia, l'aumento di temperatura e i limiti di corrente.

Durante le ricerche per questo articolo, ho trovato un vecchio documento di lavoro sull'IPC-2152 scritto da Mike Jouppi, uno dei nostri ospiti del podcast. Questo documento illustra la profondità con cui l'IPC-2152 ha cercato di catturare le diverse condizioni di progettazione presenti nei circuiti stampati, tra cui: le variazioni del peso del rame, la presenza di piani, la distanza traccia-piano e l'utilizzo in aria o sotto vuoto.

Perché ci sono state così tante indagini sull’IPC-2152? Il grafico seguente illustra il motivo per cui sono stati richiesti così tanti dettagli. Il grafico che segue è tratto da IPC-2221, Appendice B. I dati riportati in questo grafico confrontano i valori di aumento della temperatura misurati per una determinata corrente fornita a tracce delle stesse dimensioni. Possiamo vedere che i risultati dell'IPC sovrastimano notevolmente l'aumento di temperatura previsto per tutti i valori attuali. Per questo motivo i calcolatori basati su IPC-2221 possono tendere a sovrastimare la larghezza del conduttore richiesta.

Per aiutare gli utenti a prendere le migliori decisioni di progettazione per i loro prodotti, soprattutto nel caso in cui sia importante un'alta affidabilità, abbiamo raccolto diverse risorse che ti aiuteranno a comprendere meglio l'impatto della larghezza della traccia sull'aumento della temperatura e sui limiti di corrente:

• Calcolatore IPC-2152 online gratuito
• Tabella dell'ampiezza della traccia vs. corrente secondo IPC-2152 (mostra una tabella di traccia interna)
• Dati IPC-2152 per tracce interne ed esterne
• Calcolo del limite di corrente del piano di alimentazione
• Come utilizzare la resistenza termica e la conduttività per stimare la temperatura
• Guida all'analisi termica dei circuiti stampati

La prossima volta che vorrai vedere rapidamente i risultati del calcolo IPC-2221 per i tuoi PCB, usa il miglior set di strumenti di routing PCB del settore in Altium Designer®. Quando avrai completato il progetto e vorrai inviare i file al tuo produttore, la piattaforma Altium 365™ ti permetterà di semplificare la collaborazione e la condivisione dei tuoi progetti.

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