Таблица зависимости ширины дорожек от тока для высокомощных PCB

Хотя медь является отличным проводником с высокой точкой плавления, необходимо все равно прикладывать все возможные усилия для минимизации температур. Для этого нужно подбирать подходящую ширину шин питания, чтобы удерживать температуру в определенных пределах, и учитывать ток, проходящий по той или иной дорожке. При работе с шиной питания, высоковольтными компонентами и другими чувствительными к нагреву частями платы вы можете определять ширину дорожек питания в своей разводке, используя таблицу зависимости ширины дорожек от тока для печатных плат (PCB).

Другим вариантом является использование калькулятора на основе стандартов IPC-2152 или IPC-2221. Также полезно уметь читать эквивалентные графики зависимости ширины дорожек от тока в стандартах IPC, так как соответствующая таблица для PCB не всегда является исчерпывающей. Мы рассмотрим необходимые ресурсы в этой статье.

Поддержание низкой температуры в платах с высоким током

При проектировании и разводке печатных плат часто возникает вопрос о том, как определять рекомендуемую ширину дорожек питания, чтобы удерживать температуру устройства в определенных пределах, и какая при этом должна быть величина тока. Как правило, требуется, чтобы в ходе работы повышение температуры проводников на плате составляло не более 10–20 °C. Таким образом, целью проектирования сильноточных плат является подбор ширины и веса меди дорожек таким образом, чтобы рост температур не превышал некоторого предела для требуемого рабочего тока.

Разработаны стандарты IPC, которые описывают соответствующие методологии испытаний и расчета роста температур в дорожках PCB для конкретных входных токов. Это стандарты IPC-2221 и IPC-2152, оба из которых содержат большой объем информации по этим темам. Разумеется, они довольно обширны, и у большинства конструкторов нет времени на разбор всех данных, чтобы составить собственную таблицу зависимости ширины дорожек от тока. К счастью, мы подобрали некоторые ресурсы, которые помогут вам связать ток с ростом температур:

• Таблица зависимости ширины дорожек от тока (см. ниже)
• Калькулятор IPC-2221 для определения роста температур дорожек
• Калькулятор IPC-2152 для определения роста температур дорожек

В приведенном ниже видеоролике представлены соответствующие стандарты IPC и объясняется, чем они отличаются с точки зрения прогностической способности и применимости. В видео также представлен ряд ресурсов для расчета диапазонов тока или ожидаемого роста температур дорожки при заданном входном токе.

Таблица зависимости ширины дорожек от тока для PCB

Стандарты IPC-2152 — это то, с чего следует начинать при определении размеров дорожек и сквозных отверстий. Приведенные в этих стандартах формулы позволяют легко рассчитать диапазон тока для заданного роста температур, однако они не предназначены для разводки с постоянным сопротивлением. Тем не менее таблица зависимости ширины дорожек от тока является отличной отправной точкой для определения ширины и площади поперечного сечения дорожек PCB. Она позволяет легко узнавать верхний предел допустимого тока дорожек, чтобы выбирать их размер для разводки с постоянным сопротивлением.

При значительном росте температур в плате с высоким током возможно изменение электрических свойств подложки. Под воздействием тепла электрические и механические свойства подложки меняются, а если оно длительное, плата теряет цвет и легко ломается. Именно по этой причине знакомые мне конструкторы подбирают такие размеры дорожек, чтобы рост температур не превышал 10 °C. Это также делается для того, чтобы плата выдерживала не просто конкретную рабочую температуру, а широкий диапазон температур окружающей среды.

Приведенная ниже таблица зависимости ширины дорожек питания от тока для PCB показывает определенные значения ширины и соответствующие значения тока, при которых рост температур составит не более 10 °C при весе меди 1 унц./кв. фут (305 г/кв. м). Это должно дать вам представление о том, как подбирать размер дорожек на PCB.

Приведенная выше таблица применима ко многим PCB, изготавливаемым со стандартной обработкой, и нацелена на очень консервативный приемлемый рост температур (10 °C). Она также подходит для большинства ламинатов, содержащих стандартную медную фольгу (1 унц./кв. фут).

Вы, наверное, заметили, что таблица не учитывает два важных момента.

• Толщина дорожек при другом весе меди. Толщина дорожек должна рассчитываться в зависимости от веса меди в вашей плате. Мы включили выше только стандартное значение в 1 унц./кв. фут (305 г/кв. м). Однако платы, работающие при высоких токах, часто требуют более тяжелой меди, чтобы выдерживать больший рост температур.

• Альтернативные подложки. Вышеуказанные данные собраны для подложки FR4, что охватывает широкий спектр PCB, отправляемых в производство. Однако для более сложных случаев может потребоваться печатная плата с алюминиевым сердечником, керамическая подложка или усовершенствованный ламинат для высокоскоростных устройств с альтернативной смоляной системой. Если ваша подложка имеет повышенную теплопроводность, то температура дорожек будет ниже, так как от них отводится больше тепла. В приближении первого порядка рост температур будет зависеть от отношения теплопроводности желаемого материала подложки к теплопроводности FR4.

Использование номограммы IPC-2152

Если вы хотите использовать медь разных весов на внутренних или внешних слоях, то удобным инструментом для вас будет набор номограмм из стандарта IPC-2152. Они позволяют легко подбирать размер проводников под определенный ток и рост температур либо определять, какие токи вызовут тот или иной рост температур, если вы уже выбрали ширину дорожек питания PCB. С помощью этого инструмента вы можете визуально проверить диапазоны тока в своей разводке, не прибегая к калькулятору IPC-2152.

См. два примера на следующей номограмме. Обратите внимание, что график ниже приведен только для внутренних дорожек. Аналогичный график для внешних дорожек см. в этой статье Джеффа Лойера.

Номограмма IPC-2152 по зависимости ширины дорожек питания от тока и роста температур для PCB. Измененное изображение от пользователя Daniel Grillo на StackExchange.

Красная стрелка показывает, как определить максимальный ток для желаемых значений ширины дорожки питания, веса меди (т. е. площади поперечного сечения дорожки) и роста температур. В этом примере сначала выбирается ширина проводника (140 мил), а затем горизонтально проводится красная стрелка к желаемому весу меди (1 унц./кв. фут). Далее мы проводим вертикальную линию к желаемому росту температур (10 °C), а затем — горизонтальную к оси Y, чтобы найти соответствующий предел тока (~2,75 A).

Оранжевая стрелка идет в другом направлении. Мы начали с желаемого тока (1 A) и проследили по горизонтали желаемый рост температур (30 °C). Затем мы ведем линию вниз, чтобы определить размеры дорожки. В этом примере предположим, что указывается вес меди 0,5 унц./кв. фут (305 г/кв. м). Пройдя вниз до этой линии, далее мы следуем горизонтально к оси Y и находим ширину проводника в ~40 мил. Предположим, мы хотим использовать вес меди 1 унц./кв. фут. В этом случае мы обнаружим, что требуемая ширина дорожки питания составит 20 мил.

Если вы используете Altium Designer^®, вам будут доступны инструменты маршрутизации, включающие калькулятор IPC-2221, который определяет предел тока дорожки для целевого роста температур в 20 °C. Мощные средства Altium Designer для разводки и маршрутизации дорожек заданной ширины используют общую модель проектирования, позволяющую задавать требуемые дорожки и размеры с помощью правил проектирования. Когда проект будет готов для передачи файлов изготовителю, платформа Altium 365^™ поможет наладить совместную работу и доступ к проектам.

Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Начните использование бесплатной пробной версии Altium Designer + Altium 365 сегодня .