Tabella che rappresenta la relazione tra l'ampiezza della traccia PCB e la corrente per le progettazioni ad alta potenza

Il rame è un forte conduttore con un elevato punto di fusione, ma devi comunque fare del tuo meglio per mantenere basse le temperature. Qui è necessario dimensionare correttamente la larghezza dei binari di alimentazione per mantenere la temperatura entro un certo limite. Allo stesso tempo, dovrai considerare la corrente che scorre in una data pista PCB. Quando lavori con un binario di alimentazione, componenti ad alta tensione e altre parti della scheda sensibili al calore, puoi determinare la larghezza della pista di alimentazione da utilizzare nel layout mediante una tabella che rappresenta il rapporto tra l'ampiezza della pista PCB e la corrente.

L'altra opzione consiste nell'utilizzare un calcolatore basato sugli standard IPC-2152 o IPC-2221. È anche utile saper leggere le tabelle equivalenti che mostrano la larghezza della pista rispetto alla corrente negli standard IPC, poiché una tabella che mostra la relazione tra l'ampiezza della traccia e la corrente non è sempre esaustiva. In questo articolo esamineremo le risorse di cui avrai bisogno.

Mantenere la temperatura bassa in una progettazione ad alta corrente

Una domanda che si pone spesso nel contesto della progettazione e del routing dei circuiti stampati è quale metodo dovrebbe essere utilizzato per determinare l'ampiezza della traccia di alimentazione (pcb track width) consigliata al fine di mantenere la temperatura del dispositivo entro un certo limite per un determinato valore di corrente, o viceversa. Un obiettivo operativo generico è quello di mantenere l'aumento di temperatura del conduttore nella scheda entro 10-20 °C. L'obiettivo di un progetto ad alta corrente è quindi quello di dimensionare l'ampiezza della traccia e il peso del rame in modo da mantenere l'aumento di temperatura entro un certo limite per la corrente operativa richiesta.

L'IPC ha sviluppato degli standard relativi alle metodologie da utilizzare per testare e calcolare l'aumento di temperatura nelle tracce PCB per correnti di ingresso specifiche. Si tratta degli standard IPC-2221 e IPC-2152 ed entrambi contengono una grande quantità di informazioni su questi argomenti. Poiché questi standard sono molto dettagliati, la maggior parte dei progettisti non ha il tempo di analizzare tutti i dati per determinare l'ampiezza di una traccia in base alla corrente. Ecco perché abbiamo raccolto alcune risorse per aiutarti a determinare la relazione tra corrente e aumento della temperatura.

Strumenti per determinare la relazione tra corrente e aumento della temperatura.

• Tabella che rappresenta la relazione tra l'ampiezza della traccia e la corrente (vedi sotto)
• Calcolatore IPC-2221 per l'aumento della temperatura delle tracce
• Calcolatore IPC-2152 per l'aumento della temperatura delle tracce

Il video seguente illustra gli standard IPC pertinenti e spiega come differiscono in termini di potenza predittiva e applicabilità. Il video presenta anche alcune risorse per calcolare i limiti di corrente o l'aumento della temperatura della traccia previsto per una determinata corrente di ingresso.

Tabella che rappresenta la relazione tra la larghezza della pista PCB e la corrente

Gli standard IPC 2152 sono il punto di partenza per il dimensionamento di tracce e fori di via. Le formule specificate in questi standard sono semplici da calcolare per un determinato aumento della temperatura, sebbene tengano conto del routing a impedenza controllata. Detto questo, lavorare con una tabella che rappresenta il rapporto tra l'ampiezza della traccia e la corrente è un ottimo modo per iniziare a determinare l'ampiezza della traccia/l'area della sezione trasversale di un PCB. Ciò consente di determinare in modo efficace il limite superiore di corrente consentito nelle tracce, che potrai poi utilizzare per dimensionare le tracce per il routing a impedenza controllata.

Quando l'aumento di temperatura raggiunge un valore molto elevato in una scheda che funziona a una corrente elevata, le proprietà elettriche del substrato possono mostrare delle variazioni corrispondenti alle alte temperature. Le proprietà elettriche e meccaniche del substrato cambieranno con la temperatura e la scheda si scolorirà e si indebolirà se sottoposta a temperature elevate per un lungo periodo di tempo. Questo è uno dei motivi per cui i progettisti che conosco dimensionano le tracce in modo tale che l'aumento di temperatura sia contenuto entro i 10 °C. Un altro motivo per agire in questo modo è che consente anche di adattarsi a un'ampia gamma di temperature ambientali, piuttosto che partire da una temperatura di funzionamento specifica.

La larghezza della pista di potenza del PCB rispetto alla tabella corrente riportata di seguito mostra un numero di larghezze di traccia e valori di corrente corrispondenti che limiteranno l'aumento della temperatura a 10 °C con 1 oz./ft² o 0,3 kg/m² di peso del rame. Questo dovrebbe dare un'idea di come dimensionare le tracce nel tuo PCB.

La tabella sopra si applica a molti PCB prodotti utilizzando un processo standard e si riferisce a un aumento di temperatura accettabile molto conservativo (10 °C). È adatta anche alla maggior parte dei laminati che contengono fogli di rame standard (0,3 Kg/m² ).

Probabilmente avrai notato due cose da questa tabella:

• Diversi spessori di traccia/pesi del rame. Lo spessore della traccia deve essere calcolato in base al peso del rame della scheda. Abbiamo incluso solo il valore standard di 0,3 Kg/m² riportato sopra. Tuttavia, le schede che funzionano a correnti elevate spesso richiedono un peso maggiore di rame per far fronte a un aumento di temperatura più elevato.

• Substrati alternativi. I dati di cui sopra si riferiscono al substrato FR4, che copre gran parte dei PCB inviati alla produzione. Tuttavia, le applicazioni avanzate possono richiedere un PCB con nucleo in alluminio, un substrato ceramico o un laminato ad alta velocità avanzato con un sistema di resina alternativo. Se lavori con un substrato che ha una maggiore conducibilità termica, la temperatura delle tue tracce sarà inferiore poiché verrà dissipato più calore. In prima approssimazione, l'aumento della temperatura dipenderà dal rapporto tra la conducibilità termica del materiale del substrato desiderato e quella dell'FR4.

Utilizzo del nomogramma IPC-2152

Se desideri lavorare con diversi pesi di rame su layer interni o esterni, uno strumento utile è il set di nomogrammi dello standard IPC 2152. Questa tabella consente di dimensionare facilmente i conduttori per un aumento di corrente e temperatura specifico. In alternativa, puoi determinare la corrente che produrrà un aumento di temperatura specifico se hai già scelto la larghezza della pista PCB. Con questo strumento puoi verificare visivamente il limite attuale della tua traccia senza dover trovare o creare un calcolatore IPC-2152.

Ciò viene illustrato nei due esempi del nomogramma qui sotto. Considera che il grafico mostrato di seguito è solo per le tracce interne. Per vedere lo stesso grafico riferito alle tracce esterne, leggi questo articolo di Jeff Loyer.

Nomogramma IPC 2152 che rappresenta la relazione tra la larghezza della traccia di alimentazione del PCB e l'aumento di corrente e temperatura. Immagine modificata dall'utente Daniel Grillo su StackExchange.

La freccia rossa mostra come determinare la corrente massima per la larghezza desiderata di una traccia di alimentazione, il peso del rame (ovvero, l'area della sezione trasversale della traccia) e l'aumento della temperatura. In questo esempio, la larghezza del conduttore (140 mm) viene scelta per prima e la freccia rossa segue un percorso orizzontale fino al peso del rame desiderato (0,3 Kg/m² ). Quindi andiamo verticalmente fino all'aumento di temperatura desiderato (10 °C), poi risaliamo sull'asse Y per trovare il limite di corrente corrispondente (~2,75 A).

La freccia arancione va nella direzione opposta. Siamo partiti da una corrente desiderata (1 A) e abbiamo seguito un percorso orizzontale fino all'aumento di temperatura desiderato (30 °C). Scendiamo quindi verticalmente per determinare le dimensioni della traccia. In questo esempio, supponiamo di scegliere un peso di rame di 0,15 Kg/m² . Dopo aver tracciato questa linea, torniamo orizzontalmente sull'asse Y per trovare la larghezza del conduttore che è di circa 40 mm. Supponiamo ora di voler utilizzare un peso di rame di 0,3 Kg/m² ; troveremmo che la larghezza della traccia di alimentazione richiesta è di 20 mm.

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