IPC-2221 – kalkulator prądu i nagrzewania ścieżki PCB

Norma IPC-2221 określa wiele wymagań dotyczących projektowania i produkcji obwodów drukowanych. Istnieje kilka kalkulatorów online, które zostały opracowane na podstawie tej normy. Oprócz obliczeń impedancji i pola lutowniczego z otworem (annular ring) jeden z najważniejszych wzorów określonych w tej normie dotyczy wzrostu temperatury, szerokości i prądu ścieżki. Zarówno norma IPC-2221, jak i IPC-2152 zawierają wytyczne dotyczące projektowania pod kątem niezawodności termicznej, przy czym toczy się debata na temat zasad stosowania każdej z tych norm.

Jeśli jako miernik zgodności wybierzesz normę IPC-2221, to masz szczęście. Stworzyliśmy prostą aplikację kalkulatora, której można użyć do oszacowania limitów szerokości ścieżki dla danego limitu wzrostu temperatury. Jeśli korzystasz z programu Altium Designer, możesz uzyskać dostęp do tych możliwości w Edytorze PCB podczas pracy nad trasowaniem. Czytaj dalej, aby poznać formułę analizy termicznej w normie IPC-2221, a poniżej znajdziesz naszą aplikację kalkulatora.

Co zawiera IPC-2221?

Norma IPC-2221 jest ogólną normą kwalifikacji i akceptacji płytek drukowanych dla PCB/PCBA. Wymagania zawarte w tej normie definiują pewne ograniczenia projektowe, które mają na celu zapewnienie bezpieczeństwa, niezawodności i możliwości produkcji. Kwalifikacje w tej normie mają charakter ogólny. Bardziej szczegółowe normy mające zastosowanie do różnych typów obwodów drukowanych są określane w serii norm 2220.

W normie IPC-2221 znajdują się dwie sekcje opisujące związek między zachowaniem termicznym i elektrycznym przewodników w PCB:

• Sekcja 6.2 – Wymagania dotyczące materiału przewodzącego
• Dodatek B

Te dwie sekcje zawierają parę wykresów odnoszących szerokość ścieżki do prądu przenoszonego przez ścieżkę, które są najczęściej cytowane w kontekście normy IPC-2152. Można wyświetlić te wykresy dla ścieżek wewnętrznych i ścieżek zewnętrznych w powiązanych artykułach. Istnieje również pojedynczy wzór podany w sekcji 6.2 normy IPC-2221, który odnosi się do powierzchni przekroju poprzecznego(A w mil kw.) ścieżki do żądanego wzrostu temperatury powyżej temperatury otoczenia (∆T w °C) i średniego prądu(I w amperach):

Wzór ten jest bardzo prosty i może zostać użyty w kalkulatorze, który prezentuję poniżej. Jeśli użyjesz tego wzoru do określenia pola przekroju poprzecznego ścieżki, trzeba będzie użyć masy (grubości) miedzi, aby określić szerokość przewodnika. Obliczona szerokość będzie minimalną wartością wymaganą do ograniczenia wzrostu temperatury poniżej wartości określonej dla ∆T.

IPC-2221 – kalkulator szerokości ścieżki

Poniższa aplikacja implementuje powyższy wzór i wykorzystuje go do obliczenia szerokości ścieżki wymaganej do utrzymania temperatury poniżej określonej wartości. Innymi słowy, można wprowadzić wartość masy miedzi do kalkulatora, a on określi wymaganą szerokość ścieżki, biorąc pod uwagę limit prądu i wzrostu temperatury.

Wyniki

Czy tego rodzaju narzędzia istnieją online w systemie CAD? Użytkownicy programu Altium Designer mogą uzyskać dostęp do automatycznego kalkulatora IPC-2221 wewnątrz narzędzi trasowania w oknie edytora PCB. Aby skorzystać z tej funkcji, po prostu wybierz ścieżkę w sieci, którą chcesz przeanalizować, a następnie w panelu właściwości rozwiń dane w obszarze Informacje o sieci. Tutaj zobaczysz obliczenie maksymalnego prądu dla tej sekcji ścieżki.

• Kalkulator IPC-2221 w programie Altium Designer zakłada, że dopuszczalny wzrost temperatury jest ograniczony do ∆T = 20°C.

Powyższy kalkulator działa dla już wszystkich łuków, które znajdują się w wyznaczonych trasach, ale ostatnia aktualizacja rozszerzyła funkcjonalność o sekcje strojenia długości, które nie zostały przekonwertowane na wolne obiekty prymitywne. Jeśli została zainstalowana aktualizacja do najnowszej wersji 22, kalkulator IPC-2221 w programie Altium Designer działa teraz na obiektach strojenia długości w układzie PCB. Ten sam proces pokazany na powyższym obrazie GIF może zostać również użyty z sekcjami strojenia długości.

Kilka uwag na temat formuły IPC-2221

Istnieje kilka ważnych punktów, na które należy zwrócić uwagę w odniesieniu do przedstawionego powyżej wzoru pod względem jego dokładności i zakresu stosowania.

• Wzór został oparty na wykresach w powiązanych powyżej artykułach
• Wzór zakłada, że płytka znajduje się w środowisku powietrza o temperaturze STP
• Płytki testowe użyte do opracowania wzoru wykorzystywały po prostu ścieżkę na grubej płytce. Nie było dodatkowej miedzi w pobliżu (płaszczyzny lub wylewki), aby pomóc w odprowadzeniu ciepła.
• Wiele równoległych ścieżek, które są blisko siebie, można traktować jako jedną dużą ścieżkę do celów przenoszenia dużych prądów.
• Jeśli płyta jest cienka (ok. 30 mil lub mniej), norma zaleca obniżenie wartości znamionowej o 15% zamiast 10%.
• Podłoża o wyższej przewodności cieplnej niż standardowe laminaty epoksydowe z włókna szklanego będą miały inne wartości ograniczeń dotyczących prądu/szerokości ścieżki

To wszystko oznacza, że kiedy zaczynamy przyglądać się nowoczesnym płytkom PCB, wyniki z uzyskane z kalkulatora IPC-2221 są bardzo konserwatywne. Innymi słowy, jeśli zostaną uwzględnione płaszczyzny i miedź wokół ścieżek, to obliczona wartość obciążalności prądowej ścieżki jest najprawdopodobniej zaniżona. I odwrotnie – obliczona minimalna szerokość ścieżki jest prawdopodobnie zawyżona. Podczas oceny tych wyników należy brać powyższe informacje pod uwagę, ponieważ kalkulator może przewidzieć zbyt dużą wymaganą szerokość ścieżki.

Ze względu na tę znaną niezgodność z dzisiejszymi projektami PCB pojawiła się motywacja do opracowania nowego standardu, który zapewnia większą szczegółowość, a tym samym większą dokładność. Tak powstała norma IPC-2152, której założenia przedstawiamy poniżej.

IPC-2221 czy IPC-2152: która norma jest dokładniejsza?

Często stwierdzałem, że kalkulatory online mają swoje ograniczenia, a przedstawiony powyżej kalkulator IPC-2221 nie różni się od nich, co opisałem powyżej. Prawdą jest, że minimalna wartość szerokości ścieżki obliczona za pomocą kalkulatora IPC-2221 jest prawdopodobnie zawyżona, dlatego w normie IPC-2152 podjęto próbę rozszerzenia dostępnego zestawu danych o wiele nomogramów do określania szerokości ścieżki, wzrostu temperatury i limitów prądu.

Podczas poszukiwania informacji do tego artykułu znalazłem stary dokument roboczy dotyczący normy IPC-2152, którego autorem jest Mike Jouppi, jeden z gości naszego podcastu. Artykuł ten przedstawia szeroki zakres działań, które podjęto przy opracowaniu normy IPC-2152, aby zilustrować różne warunki projektowe występujące w płytkach drukowanych, w tym różnice w masie miedzi, obecności płaszczyzn, odległości między ścieżkami a płaszczyznami oraz zastosowania w powietrzu i w próżni.

Dlaczego przeprowadzono tak wiele badań nad normą IPC-2152? Poniższy wykres powinien zilustrować, dlaczego w trakcie tych badań należało uwzględnić tak wiele szczegółów. Wykres pochodzi z Załącznika B normy IPC-2221. Dane na tym wykresie porównują zmierzone wartości wzrostu temperatury dla danego prądu dostarczanego do ścieżek o tym samym rozmiarze. Widzimy, że wyniki IPC znacznie zawyżają oczekiwany wzrost temperatury dla wszystkich wartości obciążenia prądowego. Dlatego kalkulatory oparte na IPC-2221 mogą wykazywać skłonność do zawyżania wymaganej szerokości przewodu.

Aby pomóc użytkownikom w podejmowaniu najlepszych decyzji projektowych dla ich produktów, szczególnie w przypadku, gdy ważna jest wysoka niezawodność, zebraliśmy kilka zasobów, które powinny pomóc lepiej zrozumieć wpływ szerokości ścieżki na wzrost temperatury i limity prądu:

• Bezpłatny kalkulator internetowy IPC-2152
• Tabela zależności szerokości ścieżki od prądu w normie IPC-2152 (pokazuje tabelę ścieżek wewnętrznych)
• Dane IPC-2152 dotyczące ścieżek wewnętrznych i zewnętrznych
• Obliczenia limitu prądu płaszczyzny zasilania
• Jak wykorzystać opór cieplny i przewodność cieplną do oszacowania temperatury
• Przewodnik do analizy termicznej płytek drukowanych

Następnym razem, gdy będziesz mieć potrzebę szybkiego sprawdzenia wyników obliczeń normy IPC-2221 dla PCB, skorzystaj z najlepszego w branży zestawu narzędzi do trasowania PCB w programie Altium Designer®. Po zakończeniu projektowania i udostępnieniu plików producentowi platforma Altium 365™ ułatwia współpracę i udostępnianie projektów.

Dotychczas przedstawiliśmy tylko skrótową wersję możliwości programu Altium Designer na platformie Altium 365. Rozpocznij darmowy okres próbny programu Altium Designer na platformie Altium 365 już dziś.