Tabela de Largura de Trilha de PCB vs. Corrente para Projetos de Alta Potência

O cobre é um forte condutor com um alto ponto de fusão, mas você ainda deve fazer o possível para manter as temperaturas baixas. É aqui que você precisará dimensionar adequadamente as larguras das trilhas de alimentação para manter a temperatura dentro de um certo limite. No entanto, é aqui que você precisa considerar a corrente fluindo em uma dada trilha. Ao trabalhar com uma trilha de alimentação, componentes de alta tensão e outras partes da sua placa que são sensíveis ao calor, você pode determinar a largura da trilha de alimentação que precisa usar no seu layout com uma tabela de largura de trilha de PCB vs. corrente.

A outra opção é usar um calculador baseado nos padrões IPC-2152 ou IPC-2221. Também é útil saber como ler os gráficos equivalentes de largura de trilha vs. corrente nos padrões IPC, pois uma tabela de largura de trilha de PCB vs. corrente nem sempre é abrangente. Vamos revisar os recursos de que você precisa neste artigo.

Mantenha a Temperatura Baixa em Design de Alta Corrente

Uma questão que frequentemente surge no contexto do design e roteamento de PCBs é determinar a largura recomendada do traço de alimentação necessária para manter a temperatura do seu dispositivo dentro de um certo limite para um determinado valor de corrente, ou vice-versa. Um objetivo operacional típico é manter o aumento da temperatura do condutor na sua placa dentro de 10-20 °C. O objetivo em um design de alta corrente é então dimensionar a largura do traço e o peso do cobre de modo que o aumento da temperatura seja mantido dentro de algum limite para a corrente operacional necessária.

A IPC desenvolveu padrões relacionando as metodologias apropriadas para testar e calcular o aumento da temperatura em traços de PCB para correntes específicas. Esses padrões são IPC-2221 e IPC-2152, e ambos contêm uma grande quantidade de informações sobre esses tópicos. Obviamente, esses padrões são bastante extensos e a maioria dos designers não tem tempo para analisar todos os dados para determinar uma tabela de largura de traço vs. corrente. Felizmente, compilamos alguns recursos para ajudá-lo a relacionar corrente com aumento de temperatura:

• Tabela de largura de traço vs. corrente (veja abaixo)
• Calculadora IPC-2221 para aumento de temperatura do traço
• Calculadora IPC-2152 para aumento de temperatura do traço

O vídeo abaixo destaca os relevantes padrões IPC e explica como eles diferem em termos de poder preditivo e aplicabilidade. O vídeo também apresenta alguns recursos para calcular limites de corrente, ou o aumento esperado da temperatura do traço para uma corrente de entrada dada.

Tabela de Largura de Traço de PCB vs. Corrente

Os padrões IPC 2152 são o ponto de partida quando se dimensiona traços e vias. As fórmulas especificadas nestes padrões são diretas para calcular limites de corrente para um determinado aumento de temperatura, embora não considerem roteamento com impedância controlada. Dito isso, trabalhar com uma tabela de largura de traço de PCB versus corrente é uma ótima maneira de começar ao determinar a largura/seção transversal do seu traço de PCB. Isso permite que você determine efetivamente um limite superior na corrente permitida em seus traços, que você pode então usar para dimensionar seus traços para roteamento com impedância controlada.

Quando o aumento da temperatura atinge um valor muito grande em uma placa operando com alta corrente, as propriedades elétricas do substrato podem exibir uma mudança correspondente em altas temperaturas. As propriedades elétricas e mecânicas do seu substrato mudarão com a temperatura, e a placa se tornará descolorida e fraca se operada em altas temperaturas por um longo período de tempo. Esta é uma razão pela qual os designers que conheço dimensionam as trilhas de modo que o aumento da temperatura seja mantido dentro de 10 °C. Outra razão para fazer isso é acomodar uma ampla gama de temperaturas ambiente, em vez de considerar uma temperatura operacional específica.

A tabela abaixo de largura da trilha de potência da PCB vs. corrente mostra uma série de larguras de trilhas e valores de corrente correspondentes que limitarão seu aumento de temperatura a 10 °C com um peso de cobre de 1 oz./sq. ft. Isso deve dar uma ideia de como dimensionar as trilhas em sua PCB.

A tabela acima se aplica a muitas PCBs que são comumente produzidas com processamento padrão, e visa uma elevação de temperatura aceitável muito conservadora (10 °C). Também é apropriada para a maioria dos laminados que contêm folhas de cobre padrão (1 oz./sq. ft.).

Você provavelmente notou duas coisas nesta tabela:

• Diferentes espessuras de trilhas/pesos de cobre. A espessura da trilha precisa ser calculada a partir do peso do cobre em sua placa. Incluímos apenas o valor padrão de 1 oz/sq. ft. acima. No entanto, placas que operarão em altas correntes muitas vezes requerem cobre mais pesado para acomodar uma elevação de temperatura mais alta.

• Substratos alternativos. Os dados acima são compilados para FR4, o que cobrirá uma ampla gama de PCBs enviadas para produção. No entanto, aplicações avançadas podem exigir uma PCB com núcleo de alumínio, substrato cerâmico ou laminado de alta velocidade avançado com um sistema de resina alternativo. Se você trabalhar com um substrato com maior condutividade térmica, então a temperatura de suas trilhas será menor, pois mais calor é transportado para longe das trilhas quentes. Como uma aproximação de primeira ordem, o aumento da temperatura será escalado pela razão das condutividades térmicas do material de substrato desejado para a do FR4.

Usando o Nomograma IPC 2152

Se você deseja trabalhar com diferentes pesos de cobre em camadas internas ou externas, então uma ferramenta conveniente é o conjunto de nomogramas do padrão IPC 2152. Esta tabela oferece uma ferramenta simples para dimensionar condutores para uma corrente específica e aumento de temperatura. Alternativamente, você pode determinar a corrente que produzirá um aumento de temperatura específico se você já escolheu a largura da trilha de PCB de potência atual. Com esta ferramenta, você pode verificar visualmente o limite de corrente em seu design de trilha sem encontrar ou construir um calculador IPC-2152.

Isso é mostrado em dois exemplos no nomograma abaixo. Observe que o gráfico mostrado abaixo é definido apenas para trilhas internas. Para ver a mesma versão deste gráfico para trilhas externas, veja este artigo de Jeff Loyer.

Nomograma IPC 2152 para largura da trilha de energia da PCB versus corrente e aumento de temperatura. Imagem modificada de usuário Daniel Grillo no StackExchange.

A seta vermelha mostra como determinar a corrente máxima para uma largura de trilha de energia desejada, peso do cobre (ou seja, área de seção transversal da trilha) e aumento de temperatura. Neste exemplo, a largura do condutor (140 mils) é escolhida primeiro, e a seta vermelha é traçada horizontalmente até o peso de cobre desejado (1 oz/ft²). Em seguida, traçamos verticalmente até o aumento de temperatura desejado (10 °C), e então traçamos de volta ao eixo y para encontrar o limite de corrente correspondente (~2,75 A).

A seta laranja segue na direção oposta. Começamos com uma corrente desejada (1 A) e traçamos horizontalmente até a nossa elevação de temperatura desejada (30 °C). Em seguida, traçamos verticalmente para baixo para determinar as dimensões do traçado. Neste exemplo, suponha que especificamos um peso de cobre de 0,5 oz/ft². Após traçar até esta linha, traçamos horizontalmente de volta ao eixo y para encontrar a largura do condutor de ~40 mils. Suponha que queríamos usar um peso de cobre de 1 oz/ft²; neste caso, descobriríamos que a largura necessária do traçado de energia é de 20 mils.

Se você usar Altium Designer^®, terá acesso a ferramentas de roteamento que incluem um calculador IPC-2221 que determina um limite de corrente de traçado para uma elevação de temperatura alvo de 20 °C. As poderosas ferramentas de layout e roteamento de largura de trilha de PCB no Altium Designer são construídas em um único modelo de design unificado que permite especificar os traçados e tamanhos que você precisa dentro das suas regras de design. Quando você terminar o seu design e quiser liberar os arquivos para o seu fabricante, a plataforma Altium 365^™ facilita a colaboração e o compartilhamento dos seus projetos.

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