IPC-2152 계산기를 사용하여 표준에 맞게 설계하기

최신 EDA 프로그램을 보면 이러한 애플리케이션에 많은 계산기와 시뮬레이터가 구축되어 있다는 것을 알 수 있습니다. 하지만 다른 모든 것보다 뒤처진 시뮬레이션 영역 중 하나는 열 시뮬레이션입니다. 열 계산은 전력 전자 장치 및 안정성이 높은 전자 장치에서 특히 중요하며, 이러한 시스템이 더 낮은 전체 전력을 실행하는 경우에도 마찬가지입니다. 트레이스에 공급되는 전류를 기준으로 트레이스 히팅 추정에 대한 잠재적 필요성을 확인할 수 있는 경우도 있습니다.

업계에서는 열 관리에 대한 모범 사례를 다루는 표준을 개발하기 위해 오랫동안 노력해 왔습니다. IPC-2152 및 IPC-2221에 정의된 일련의 실험식으로 이어지는 결과는 다소 실망스러웠습니다. FR4 등급 기판에서 설계를 수행했다는 가정하에 이러한 공식은 트레이스의 전류, 트레이스 폭 및 주변 온도에 비해 예상되는 온도 상승 사이의 관계를 추정하는 데 사용할 수 있습니다. 아래 제가 만든 계산기에서 이 값을 구할 수 있습니다.

IPC-2152 차트 대 계산기

먼저 약간의 배경지식을 확인해 볼까요? IPC 표준이 어떻게 발전해 왔는지 잘 알고 있다면 기존의 트레이스 설계 표준이 폴리이미드 기판에 대한 50년 전 실험 결과를 기반으로 했다는 것을 기억하실 겁니다. 관련된 FR4 재료 매개변수는 폴리이미드와 2% 정도만 다르므로 IPC-2152 표준은 FR4의 PCB에 동일하게 적용될 수 있습니다. PCB의 온도 상승, 트레이스의 전류 및 트레이스의 단면적 사이의 관계는 일련의 차트와 IPC-2221B 표준의 실험식으로 요약되었습니다.

2009년부터 IPC-2152 표준은 PCB의 도체 크기를 조정하는 데 중요한 표준이 되었습니다. 이 표준은 PCB의 열 관리에 있어서 중요하지만, 트레이스 크기를 조정하는 데 사용할 올바른 공식에 모두가 동의한 것은 최근의 일입니다. 주어진 PCB에서 가능한 레이아웃 수를 고려해 볼 때 IPC-2221B의 기존 차트는 모든 설계에 적용할 수 있는 것은 아니라고 알려져 있습니다. 새로운 IPC-2152 표준은 다음 수량 사이의 관계를 요약한 결과를 제시합니다.

• 열전도율
• PCB 두께
• 근처 Plane까지의 거리 및 Plane 면적
• Copper 무게
• 배선 폭
• 주변 온도에 비해 예상되는 또는 필요한 온도 상승
• 내부 vs 외부 배선(트레이스)

결과는 내부 및 외부 트레이스에 대한 일련의 차트에 요약되어 있지만, PCB 트레이스에서 예상되는 온도 상승을 계산하는 데 사용할 수 있는 명백한 공식은 없습니다. 하지만 차트에서 데이터를 선택하고 혼합 멱법칙(Power law) 모델을 개발할 수는 있습니다. 이는 SMPS.us의 직원들이 수행했으며, 보간공식은 아래에 재현되어 있습니다. 결과로 도출된 마스터 공식은 주변 온도에 비해 필요한 온도 상승(∆T) 및 전류(I)에 대한 트레이스의 단면적을 계산하는 데 사용됩니다.

이 공식은 PCB 트레이스 폭을 확인하기 위한 아래의 계산기 애플리케이션에서 구현됩니다.

IPC-2152 계산기

아래의 애플리케이션을 사용하면 주어진 입력 전류 및 온도에 대해 필요한 트레이스 폭(mil)을 간단히 계산할 수 있습니다. 필요한 온도 상승 한도와 작동 전류(RMS)를 입력하기만 하면 됩니다. 평면이 있는 경우에는 보정 계수를 적용하여 필요한 구리 면적 및 폭을 확인합니다.

결과

IPC-2152 계산기의 제한 사항

IPC-2152 계산기는 일반적으로 트레이스의 간격이 1인치(2.54cm)를 넘는 경우에만 유효합니다. 실제 PCB를 설계해 본 사람은 모두 이것이 신호 트레이스에 유용하지 않다는 것을 알 것입니다. 특히 대형 파워 레일(예: SIG+PWR/GND/GND/SIG+PWR 스택업)과 동일한 레이어에 배치된 경우에 말이죠. 동일한 전류로 실행되는 촘촘한 병렬 트레이스의 온도는 단일 트레이스의 온도보다 높을 수 있습니다. 촘촘한 트레이스를 다루는 한 가지 방법은 해당 트레이스를 단일 트레이스로 취급하는 것입니다. 이 경우 결합된 전류는 결합된 단면적 및 온도 상승을 확인하는 데 사용됩니다.

다음으로 계산기는 다음과 같이 PCB에서 사용되는 표준 열 관리 기술을 고려하지 않습니다.

• 컴포넌트에 장착된 히트 싱크
• 활성 컴포넌트의 열 방산 또는 발생
• 기판 표면의 대류 냉각
• 장치에 인접한 전도된 냉각 온도

IPC-2152는 여전히 관련이 있을까요?

저는 최근에 회로 기판에서 열 측정을 수행하는 데 전문가인 Mike Jouppi와 함께 IPC-2152의 정확성과 적용 가능성에 대해 논의할 수 있었습니다. Mike의 경험에 따르면 IPC-2152 노모그래프 및 방정식에 의해 생성된 추정치는 특정 한도 내에서 온도 상승을 유지하는 데 필요한 PCB 트레이스 폭 또는 다각형 폭을 과대평가하는 경향이 있었습니다. 저는 Altium OnTrack Podcast의 최근 에피소드에서 Mike와 이에 대해 논의했습니다.

PCB 트레이스 폭의 과대평가가 항상 나쁜 것은 아닙니다. 예를 들어 파워 레일로 사용되는 큰 다각형이 냉각 상태를 유지할지 여부를 평가하는 경우 다각형 폭이 IPC-2152에서 반환된 결과보다 훨씬 넓다면 다각형에 히팅 문제가 없을 것이라고 확신할 수 있습니다. 하지만 설계자가 필요 이상으로 회로 기판을 과도하게 설계하게 될 수 있으므로 IPC-2152와 관련된 이러한 사항은 꼭 염두에 두어야 합니다.

트레이스 히팅 계산을 위한 기타 리소스

마지막으로, IPC-2152 결과는 IPC-2221의 기존 데이터 및 방법을 기반으로 한다는 점과 해당 표준은 IPC-2221의 내부 및 외부 트레이스 폭 수치도 포함한다는 점을 기억하세요. 이러한 데이터를 비슷한 마스터 방정식에 요약하는 자체 계산기를 개발하려는 경우 IPC-2221 및 IPC-2152 표준에서 시작하면 좋습니다.

시뮬레이터, 특히 3D 열 솔버에 액세스할 수 없는 경우에는 차트와 계산기를 사용하여 주어진 평균 전류에 대한 평형 온도를 추정해야 합니다. 아래 링크에서 열 저항/열전도율을 사용하여 트레이스 히팅 한도, 전류 한도 및 온도 상승을 수동으로 계산하는 데 도움이 되는 몇 가지 리소스를 확인하세요.

• IPC-2152에 따른 트레이스 폭 대 전류 표(내부 트레이스 표 표시)
• 내부 및 외부 트레이스에 대한 IPC-2152 데이터
• 전원면(Power Plane) 전류 한도 계산
• 열 저항 및 열전도율을 사용하여 온도를 추정하는 방법
• 회로 기판에 대한 열 분석 가이드

웹 앱을 더욱 많이 개발하고 Altium Designer 사용자에게 제공함에 따라 열 기능에 대한 이러한 리소스도 지속적으로 업데이트하겠습니다.

Altium Designer^®의 최신 업데이트에는 IPC-2221 표준에 따라 전류 한도를 추정하는 자동화된 트레이스 히팅 계산기가 포함되어 있습니다. IPC-2221과 IPC-2152 사이에는 여전히 논쟁이 있지만 두 도구를 모두 사용하면 PCB 트레이스 폭 추정치를 얻고 설계의 신뢰성을 보장할 수 있습니다. 설계를 완료하고 제조업체에 파일을 공개하려는 경우 Altium 365^™ 플랫폼을 사용하면 쉽게 프로젝트를 협업하고 공유할 수 있습니다.Altium Designer의 최신 기능 릴리스를 확인하세요.

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