Utilizzo di un calcolatore IPC-2152: progettazione a norma di standard

Prima di trattare dei calcolatori IPC-2152 è necessario osservare i moderni programmi EDA. In quanto, in queste applicazioni ci sono molti calcolatori e simulatori integrati. Tuttavia, una delle aree di simulazione che è rimasta indietro rispetto a tutto il resto è quella delle simulazioni termiche. I calcoli termici sono importanti soprattutto nell'elettronica di potenza e nell'elettronica ad alta affidabilità, anche se questi sistemi funzionano con una potenza complessiva inferiore. Ci sono altri casi in cui possiamo determinare la potenziale necessità di una stima del riscaldamento della traccia, data la corrente fornita a una traccia.

L'industria si è impegnata a lungo per sviluppare standard che coprano le pratiche consigliate per la gestione termica. I risultati sono stati poco incoraggianti e hanno portato a una serie di formule empiriche definite in IPC-2152 e IPC-2221. Queste formule possono essere utilizzate per stimare la relazione tra la corrente in una traccia, la larghezza della traccia e l'aumento di temperatura previsto al di sopra della temperatura ambiente, supponendo che il progetto sia su un substrato di grado FR4.

Grafici IPC-2152 vs. calcolatori

Innanzitutto, un po' di contesto: se hai familiarità con l'evoluzione degli standard IPC, magari ricordi che gli standard di progettazione delle tracce originali erano basati su risultati sperimentali ottenuti 50 anni fa sul schede di poliimmide. I parametri pertinenti del materiale FR4 differiscono dalla poliimmide solo di circa il 2%, quindi gli standard IPC-2152 sono ugualmente applicabili ai PCB su FR4. La relazione tra l'aumento della temperatura in un PCB, la corrente nelle tracce e l'area trasversale delle tracce è stata sintetizzata in una serie di grafici e in una formula empirica nello standard IPC-2221B.

Dal 2009, lo standard IPC-2152 è diventato lo standard di spicco per il dimensionamento dei conduttori su un PCB. Sebbene lo standard sia importante per la gestione termica nei PCB, solo di recente tutti hanno concordato la formula corretta da utilizzare per dimensionare le tracce. Dato il numero di possibilità di layout in un determinato circuito stampato, è noto che i grafici originali in IPC-2221B non sono applicabili a tutti i progetti. Il nuovo standard IPC-2152 presenta risultati che riassumono la relazione tra le seguenti grandezze:

• Conduttività termica
• Spessore del PCB
• Distanza da un piano vicino e dall'area del piano
• Peso del rame
• Larghezza della traccia
• Aumento della temperatura previsto o richiesto al di sopra della temperatura ambiente
• Tracce interne vs. esterne

I risultati sono stati riassunti in una serie di grafici per le tracce interne ed esterne, ma non esiste una formula esplicita che possa essere utilizzata per calcolare l'aumento di temperatura previsto in una traccia PCB. Tuttavia, è possibile scegliere dati dal grafico e sviluppare un modello di legge di potenza mista; questo è ciò che fanno gli impiegati di SMPS.us e, di seguito, ho riprodotto la loro formula di interpolazione. La formula principale risultante viene utilizzata per calcolare la sezione trasversale della traccia per un aumento di temperatura desiderato al di sopra della temperatura ambiente (∆T) e della corrente (I):

Questa formula è implementata nell'applicazione del seguente calcolatore per determinare l'ampiezza della traccia PCB.

Calcolatore IPC-2152

L'IPC-2152 calculator fornisce un modo semplice per calcolare l'ampiezza di traccia richiesta (in mil) per una determinata corrente e temperatura di ingresso. Basta inserire i limiti di aumento della temperatura richiesti e la corrente operativa (RMS). Nel caso in cui sia presente un piano, viene applicato un fattore di correzione per determinare l'area e la larghezza del rame richieste.

Risultati

Limitazioni del calcolatore IPC-2152

In generale, i calcolatori IPC-2152 sono validi solo quando le tracce sono distanziate di oltre 2,5 cm. Chiunque abbia progettato un vero PCB sa che questo non è pratico per le tracce di segnale, soprattutto quando sono posizionate sullo stesso layer di una pista di alimentazione di grandi dimensioni (ad esempio, lo stack-up SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR). La temperatura delle tracce parallele ravvicinate funzionanti con la stessa corrente potrebbe essere superiore a quella di una singola traccia. Un modo per affrontare le tracce ravvicinate consiste nel trattarle come una singola traccia, in cui la corrente combinata viene utilizzata per determinare l'area trasversale combinata e l'aumento della temperatura.

Inoltre, un IPC-2152 calculator non tiene conto di nessuna delle tecniche di gestione termica standard utilizzate in un PCB, come l'uso di:

• Dissipatori di calore montati sui componenti
• Dissipazione o generazione di calore nei componenti attivi
• Raffreddamento per convezione sulla superficie della scheda
• Raffreddamento per conduzione nell'involucro del dispositivo

L'IPC-2152 è ancora rilevante?

Di recente ho avuto il privilegio di discutere dell'accuratezza e dell'applicabilità di IPC-2152 con Mike Jouppi, un esperto nell'esecuzione di misurazioni termiche sui circuiti stampati. Dall'esperienza di Mike, è emerso che le stime prodotte dai nomografi e dalle equazioni IPC-2152 tendono a sovrastimare la larghezza della traccia PCB o la larghezza del poligono necessaria per mantenere l'aumento della temperatura entro un determinato limite. Ne ho discusso con Mike in un recente episodio del podcast Altium OnTrack.

Una sovrastima della larghezza della traccia PCB non è sempre una cosa negativa. Ad esempio, se stai valutando se un poligono di grandi dimensioni utilizzato come pista di alimentazione rimarrà freddo e la larghezza del poligono è molto più ampia del risultato restituito da IPC-2152, puoi essere certo che il poligono non avrà problemi di riscaldamento. Tuttavia, tieni a mente i punti relativi all'IPC-2152, poiché possono indurre un progettista a sovradimensionare un circuito stampato quando potrebbe non essere necessario.

Altre risorse per i calcoli di riscaldamento delle tracce

In conclusione, è importante notare che i risultati di un IPC-2152 calculator si basano sui dati e sui metodi originali dell'IPC-2221 e che lo standard include anche i valori dell'ampiezza di traccia interna ed esterna dell'IPC-2221. Se vuoi sviluppare un tuo calcolatore che cerchi di riassumere questi dati in un tipo di equazione principale simile, questi standard sono un buon punto di partenza.

Se non hai accesso a un simulatore, in particolare a un risolutore termico 3D, dovrai utilizzare grafici e calcolatori per stimare la temperatura di equilibrio per una determinata corrente media. Nell'elenco di link che segue, abbiamo fornito alcune risorse per calcolare manualmente i limiti di riscaldamento delle tracce, i limiti di corrente e l'aumento di temperatura utilizzando la resistenza termica/conduttività termica:

• 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

Continuerò ad aggiornare queste risorse sulle funzionalità termiche man mano che svilupperemo altre Web app e che saranno disponibili per gli utenti di Altium Designer.

Uno dei più recenti aggiornamenti di Altium Designer^® include un calcolatore automatico del riscaldamento delle tracce che stima il limite di corrente secondo lo standard IPC-2221. Sebbene vi siano ancora controversie tra IPC-2221 e IPC-2152, è possibile utilizzare entrambi gli strumenti per ottenere una stima dell'ampiezza di traccia del PCB e garantire l'affidabilità del progetto. 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 lavori. Scopri le ultime funzionalità di Altium Designer.

Questo è solo un assaggio di tutto ciò che è possibile fare con Altium Designer su Altium 365. Inizia la tua prova gratuita di Altium Designer + Altium 365 oggi stesso.