Tabela szerokości ścieżek PCB vs. prąd dla projektów wysokiej mocy

Miedź jest dobrym przewodnikiem o wysokim punkcie topnienia, ale należy dołożyć wszelkich starań, aby temperatura pozostała niska. Tutaj pojawia się konieczność odpowiedniego doboru szerokości szyn zasilających, aby temperatura utrzymywała się w określonym limicie. Jednakże, w tym miejscu należy wziąć pod uwagę prąd płynący w danej ścieżce. Pracując z szyną zasilającą, komponentami wysokiego napięcia i innymi częściami płytki wrażliwymi na ciepło, możesz określić potrzebną szerokość ścieżki zasilającej w swoim układzie, korzystając z tabeli szerokość ścieżki PCB vs. prąd.

Inną opcją jest użycie kalkulatora opartego na standardach IPC-2152 lub IPC-2221. Przydatna jest również umiejętność odczytywania równoważnych wykresów szerokość ścieżki vs. prąd w standardach IPC, ponieważ tabela szerokość ścieżki PCB vs. prąd nie zawsze jest wszechstronna. W tym artykule omówimy potrzebne zasoby.

Utrzymuj niską temperaturę w projektach z wysokim prądem

Jedno z często pojawiających się pytań w kontekście projektowania i trasowania PCB dotyczy określenia zalecanej szerokości ścieżki zasilającej, wymaganej do utrzymania temperatury urządzenia w określonym limicie dla danej wartości prądu, lub odwrotnie. Typowym celem operacyjnym jest utrzymanie wzrostu temperatury przewodnika na płytce w granicach 10-20 °C. Celem w projektach z wysokim prądem jest więc dobranie szerokości ścieżki i masy miedzi tak, aby wzrost temperatury był utrzymany w pewnym limicie dla wymaganego prądu roboczego.

IPC opracowało standardy dotyczące odpowiednich metodologii testowania i obliczania wzrostu temperatury w ścieżkach PCB dla określonych prądów wejściowych. Są to standardy IPC-2221 i IPC-2152, które zawierają dużą ilość informacji na te tematy. Oczywiście, te standardy są dość obszerne i większość projektantów nie ma czasu, aby przebrnąć przez wszystkie dane, aby określić tabelę szerokości ścieżki vs. prąd. Na szczęście, zebraliśmy kilka zasobów, które pomogą Ci powiązać prąd ze wzrostem temperatury:

• Tabela szerokości ścieżki vs. prąd (patrz poniżej)
• Kalkulator IPC-2221 dla wzrostu temperatury ścieżki
• Kalkulator IPC-2152 dla wzrostu temperatury ścieżki

Poniższy film przedstawia odpowiednie normy IPC oraz wyjaśnia, jak różnią się one pod względem mocy predykcyjnej i zastosowania. Wideo prezentuje również pewne zasoby do obliczania limitów prądowych, czyli spodziewanego wzrostu temperatury ścieżki dla danego prądu wejściowego.

Szerokość ścieżki PCB vs. Tabela prądu

Normy IPC 2152 są punktem wyjścia przy określaniu rozmiarów ścieżek i przelotek. Formuły określone w tych normach są proste do obliczenia limitów prądowych dla danego wzrostu temperatury, chociaż nie uwzględniają one trasowania z kontrolowaną impedancją. Mimo to, praca z tabelą szerokości ścieżki PCB w stosunku do prądu jest świetnym sposobem na rozpoczęcie określania szerokości/obszaru przekroju ścieżki PCB. Pozwala to skutecznie określić górny limit dozwolonego prądu w ścieżkach, który można następnie wykorzystać do rozmiarowania ścieżek dla trasowania z kontrolowaną impedancją.

Gdy wzrost temperatury osiąga bardzo dużą wartość na płytce pracującej przy wysokim prądzie, właściwości elektryczne podłoża mogą wykazywać odpowiadającą zmianę przy wysokich temperaturach. Właściwości elektryczne i mechaniczne twojego podłoża będą się zmieniać wraz z temperaturą, a płyta stanie się przebarwiona i słaba, jeśli będzie pracować w wysokich temperaturach przez długi czas. Jest to jeden z powodów, dla których projektanci, których znam, dobierają szerokości ścieżek tak, aby wzrost temperatury utrzymywał się w granicach 10 °C. Innym powodem jest chęć dostosowania się do szerokiego zakresu temperatur otoczenia, zamiast rozważania konkretnej temperatury pracy.

Tabela szerokości ścieżek zasilających PCB w stosunku do prądu poniżej pokazuje szereg szerokości ścieżek i odpowiadających im wartości prądów, które ograniczą wzrost temperatury do 10 °C przy wadze miedzi 1 oz./sq. ft. Powinno to dać ci pomysł, jak dobierać szerokości ścieżek na twojej płytce PCB.

Powyższa tabela dotyczy wielu PCB, które są powszechnie produkowane przy standardowej obróbce i zakłada bardzo konserwatywną akceptowalną wartość wzrostu temperatury (10 °C). Jest również odpowiednia dla większości laminatów zawierających standardowe folie miedziane (1 oz./sq. ft.).

Zapewne zauważyłeś dwie rzeczy z tej tabeli:

• Różne grubości ścieżek/masy miedzi. Grubość ścieżki musi być obliczona z masy miedzi na twojej płytce. Powyżej uwzględniliśmy tylko standardową wartość 1 oz/sq. ft. Jednak płytki, które będą pracować przy wysokich prądach, często wymagają cięższej miedzi, aby pomieścić wyższy wzrost temperatury.

• Alternatywne podłoża. Powyższe dane zostały skompilowane dla FR4, co obejmie szeroki zakres PCB wysyłanych do produkcji. Jednak zaawansowane aplikacje mogą wymagać płytki PCB z rdzeniem aluminiowym, podłoża ceramicznego lub zaawansowanego laminatu wysokiej prędkości z alternatywnym systemem żywic. Jeśli pracujesz z podłożem o wyższej przewodności cieplnej, wówczas temperatura twoich ścieżek będzie niższa, ponieważ więcej ciepła jest odprowadzane od ciepłych ścieżek. W przybliżeniu pierwszego rzędu, wzrost temperatury będzie skalowany przez stosunek przewodności cieplnej wybranego materiału podłoża do FR4.

Korzystanie z nomogramu IPC 2152

Jeśli chcesz pracować z różnymi grubościami miedzi na warstwach wewnętrznych lub zewnętrznych, to jednym z wygodnych narzędzi jest zestaw nomogramów ze standardu IPC 2152. Ta tabela oferuje prostą metodę doboru przewodników dla określonego prądu i wzrostu temperatury. Alternatywnie, możesz określić prąd, który wywoła określony wzrost temperatury, jeśli już wybrałeś szerokość ścieżki prądowej PCB dla swojej mocy. Dzięki temu narzędziu możesz wizualnie zweryfikować limit prądu w projektowaniu ścieżek bez konieczności znajdowania lub budowania kalkulatora IPC-2152.

To pokazano na dwóch przykładach na nomogramie poniżej. Zauważ, że przedstawiony poniżej wykres dotyczy tylko ścieżek wewnętrznych. Aby zobaczyć tę samą wersję tego wykresu dla ścieżek zewnętrznych, zobacz ten artykuł autorstwa Jeffa Loyer.

Nomogram IPC 2152 dla szerokości ścieżki zasilającej PCB w stosunku do prądu i wzrostu temperatury. Obraz zmodyfikowany przez użytkownika Daniela Grillo na StackExchange.

Czerwona strzałka pokazuje, jak określić maksymalny prąd dla pożądanej szerokości ścieżki zasilającej, masy miedzi (tj. przekroju ścieżki) i wzrostu temperatury. W tym przykładzie najpierw wybiera się szerokość przewodnika (140 mils), a następnie czerwoną strzałką przesuwamy się poziomo do pożądanej masy miedzi (1 oz/sq. ft.). Następnie przesuwamy się pionowo do pożądanego wzrostu temperatury (10 °C), a potem śledzimy z powrotem do osi y, aby znaleźć odpowiadający limit prądu (~2,75 A).

Pomarańczowa strzałka wskazuje w przeciwnym kierunku. Zaczęliśmy od pożądanego prądu (1 A) i śledziliśmy poziomo do naszej pożądanej temperatury wzrostu (30 °C). Następnie śledzimy pionowo w dół, aby określić wymiary ścieżki. W tym przykładzie, załóżmy, że określamy masę miedzi 0,5 oz/ft². Po prześledzeniu w dół do tej linii, śledzimy poziomo z powrotem do osi y, aby znaleźć szerokość przewodnika około 40 mils. Załóżmy, że chcielibyśmy użyć masy miedzi 1 oz/ft²; w tym przypadku stwierdzilibyśmy, że wymagana szerokość ścieżki zasilającej to 20 mils.

Jeśli używasz Altium Designer^®, będziesz miał dostęp do narzędzi trasowania, które obejmują kalkulator IPC-2221 określający limit prądu ścieżki dla docelowego wzrostu temperatury o 20 °C. Potężne narzędzia do układania i trasowania szerokości ścieżek PCB w Altium Designer są zbudowane na jednolitym modelu projektowym, który pozwala określić potrzebne ścieżki i rozmiary w ramach twoich zasad projektowania. Gdy zakończysz projektowanie i będziesz chciał przekazać pliki swojemu producentowi, platforma Altium 365^™ ułatwia współpracę i udostępnianie twoich projektów.

Dotknęliśmy tylko wierzchołka góry lodowej możliwości, jakie oferuje Altium Designer na Altium 365. Zacznij swoją darmową próbę Altium Designer + Altium 365 już dziś.