Bảng So Sánh Độ Rộng Đường Dẫn PCB và Dòng Điện cho Thiết Kế Công Suất Cao

Đồng là một chất dẫn tốt với điểm nóng chảy cao, nhưng bạn vẫn nên cố gắng giữ nhiệt độ ở mức thấp. Đây là lúc bạn cần phải xác định kích thước đúng của chiều rộng đường dẫn nguồn để giữ nhiệt độ trong một giới hạn nhất định. Tuy nhiên, đây là lúc bạn cần xem xét dòng điện chảy trong một đường dẫn cụ thể. Khi làm việc với đường dẫn nguồn, các thành phần điện áp cao và các phần khác của bảng mạch của bạn nhạy cảm với nhiệt, bạn có thể xác định chiều rộng đường dẫn nguồn mà bạn cần sử dụng trong bố cục của mình với bảng so sánh chiều rộng đường dẫn PCB với dòng điện.

Lựa chọn khác là sử dụng máy tính dựa trên tiêu chuẩn IPC-2152 hoặc IPC-2221. Cũng hữu ích khi biết cách đọc các biểu đồ tương đương chiều rộng đường dẫn so với dòng điện trong các tiêu chuẩn IPC vì một bảng so sánh chiều rộng đường dẫn PCB với dòng điện không phải lúc nào cũng toàn diện. Chúng tôi sẽ xem xét các nguồn lực bạn cần trong bài viết này.

Giữ Nhiệt Độ Thấp trong Thiết Kế Dòng Điện Cao

Một câu hỏi thường gặp trong bối cảnh thiết kế và định tuyến PCB là xác định chiều rộng đường dẫn nguồn năng lượng được khuyến nghị cần thiết để giữ nhiệt độ của thiết bị trong giới hạn nhất định cho một giá trị dòng điện nhất định, hoặc ngược lại. Mục tiêu hoạt động điển hình là giữ cho nhiệt độ dây dẫn trên bảng mạch của bạn tăng trong khoảng 10-20 °C. Mục tiêu trong thiết kế dòng điện cao sau đó là kích thước chiều rộng đường dẫn và trọng lượng đồng sao cho sự tăng nhiệt độ được giữ trong một giới hạn nào đó cho dòng điện hoạt động yêu cầu.

IPC đã phát triển các tiêu chuẩn liên quan đến phương pháp thích hợp để kiểm tra và tính toán sự tăng nhiệt độ trong các đường dẫn PCB cho các dòng điện đầu vào cụ thể. Các tiêu chuẩn này là IPC-2221 và IPC-2152, và cả hai đều chứa một lượng lớn thông tin về các chủ đề này. Rõ ràng, các tiêu chuẩn này khá rộng lớn và hầu hết các nhà thiết kế không có thời gian để phân tích tất cả dữ liệu để xác định bảng chiều rộng đường dẫn so với dòng điện. May mắn thay, chúng tôi đã biên soạn một số nguồn lực để giúp bạn liên kết dòng điện với sự tăng nhiệt độ:

• Bảng chiều rộng đường dẫn so với dòng điện (xem bên dưới)
• Máy tính IPC-2221 cho sự tăng nhiệt độ của đường dẫn
• Máy tính IPC-2152 cho sự tăng nhiệt độ của đường dẫn

Video dưới đây trình bày các tiêu chuẩn IPC liên quan và giải thích sự khác biệt của chúng về khả năng dự đoán và tính ứng dụng. Video cũng giới thiệu một số nguồn lực để tính toán giới hạn dòng điện, hoặc sự tăng nhiệt độ dự kiến của dấu vết cho một dòng điện đầu vào nhất định.

Bảng So Sánh Độ Rộng Dấu Vết PCB và Dòng Điện

Tiêu chuẩn IPC 2152 là điểm bắt đầu khi bạn cần xác định kích thước các dấu vết và lỗ vias. Các công thức được quy định trong những tiêu chuẩn này khá đơn giản để tính toán giới hạn dòng điện cho một sự tăng nhiệt độ nhất định, mặc dù chúng không xem xét đến việc định tuyến với trở kháng kiểm soát. Tuy nhiên, việc làm việc với bảng so sánh độ rộng dấu vết PCB và dòng điện là một cách tuyệt vời để bắt đầu khi xác định độ rộng/kích thước mặt cắt của dấu vết PCB của bạn. Điều này cho phép bạn hiệu quả xác định giới hạn trên của dòng điện được phép trong các dấu vết của mình, từ đó bạn có thể sử dụng để kích thước dấu vết của mình cho việc định tuyến với trở kháng kiểm soát.

Khi nhiệt độ tăng lên đạt một giá trị rất lớn trên một bảng mạch chạy với dòng điện cao, các tính chất điện của lớp nền có thể thể hiện sự thay đổi tương ứng ở nhiệt độ cao. Các tính chất điện và cơ học của lớp nền của bạn sẽ thay đổi theo nhiệt độ, và bảng mạch sẽ trở nên bị phai màu và yếu nếu chạy ở nhiệt độ cao trong một thời gian dài. Đây là một lý do mà các nhà thiết kế mà tôi biết sẽ chọn kích thước các đường dẫn sao cho sự tăng nhiệt độ được giữ trong phạm vi 10 °C. Một lý do khác để làm điều này là để phù hợp với một phạm vi rộng lớn của nhiệt độ môi trường, thay vì xem xét một nhiệt độ hoạt động cụ thể.

Bảng so sánh độ rộng đường dẫn nguồn PCB với dòng điện dưới đây cho thấy một số độ rộng đường dẫn và các giá trị dòng điện tương ứng sẽ giới hạn sự tăng nhiệt độ của bạn lên 10 °C với trọng lượng đồng 1 oz./sq. ft. Điều này nên cho bạn một ý tưởng về cách chọn kích thước các đường dẫn trên PCB của bạn.

Bảng trên áp dụng cho nhiều loại PCB thường được sản xuất với quy trình chuẩn và nó nhắm đến một mức tăng nhiệt độ chấp nhận được rất thận trọng (10 °C). Nó cũng phù hợp với hầu hết các loại laminate chứa foil đồng chuẩn (1 oz./sq. ft.).

Bạn có thể đã nhận thấy hai điều từ bảng này:

• Độ dày dấu vết/khối lượng đồng khác nhau. Độ dày dấu vết cần được tính toán từ khối lượng đồng trên bảng mạch của bạn. Chúng tôi chỉ bao gồm giá trị chuẩn 1 oz/sq. ft. ở trên. Tuy nhiên, các bảng mạch sẽ hoạt động ở dòng điện cao thường yêu cầu đồng nặng hơn để chịu được mức tăng nhiệt độ cao hơn.

• Vật liệu nền thay thế. Dữ liệu trên được tổng hợp cho FR4, sẽ bao phủ một phạm vi rộng lớn các PCB được gửi đi sản xuất. Tuy nhiên, các ứng dụng tiên tiến có thể yêu cầu một PCB lõi nhôm, vật liệu nền gốm, hoặc lớp phủ tốc độ cao tiên tiến với hệ thống nhựa thay thế. Nếu bạn làm việc với một vật liệu nền có độ dẫn nhiệt cao hơn, thì nhiệt độ của các đường dẫn của bạn sẽ thấp hơn, vì nhiều nhiệt được vận chuyển ra khỏi các đường dẫn nóng. Theo ước lượng cấp độ đầu tiên, sự tăng nhiệt độ sẽ được điều chỉnh theo tỷ lệ của độ dẫn nhiệt của vật liệu nền mong muốn so với FR4.

Sử dụng Nomograph IPC 2152

Nếu bạn muốn làm việc với các trọng lượng đồng khác nhau trên các lớp bên trong hoặc bên ngoài, thì một công cụ tiện lợi là bộ nomograph từ tiêu chuẩn IPC 2152. Bảng này cung cấp một công cụ đơn giản để xác định kích thước dẫn điện cho một dòng điện và sự tăng nhiệt độ cụ thể. Thay vào đó, bạn có thể xác định dòng điện sẽ tạo ra một sự tăng nhiệt độ cụ thể nếu bạn đã chọn chiều rộng dòng điện PCB của bạn. Với công cụ này, bạn có thể xác minh trực quan giới hạn dòng điện trong thiết kế dẫn của mình mà không cần tìm hoặc xây dựng một máy tính IPC-2152.

Điều này được minh họa qua hai ví dụ trong nomograph dưới đây. Lưu ý rằng biểu đồ dưới đây chỉ được định nghĩa cho các đường dẫn bên trong. Để xem phiên bản tương tự của biểu đồ này cho các đường dẫn bên ngoài, xem bài viết này của Jeff Loyer.

Nomograph IPC 2152 cho bề rộng đường dẫn nguồn PCB so với dòng điện và sự tăng nhiệt độ. Hình ảnh được chỉnh sửa từ người dùng Daniel Grillo trên StackExchange.

Mũi tên đỏ chỉ cách xác định dòng điện tối đa cho bề rộng đường dẫn nguồn mong muốn, trọng lượng đồng (tức là, diện tích tiết diện đường dẫn), và sự tăng nhiệt độ. Trong ví dụ này, bề rộng dẫn điện (140 mils) được chọn trước, và mũi tên đỏ được kéo ngang qua trọng lượng đồng mong muốn (1 oz/sq. ft.). Sau đó, chúng ta kéo dọc xuống nhiệt độ tăng mong muốn (10 °C), và sau đó chúng ta kéo trở lại trục y để tìm giới hạn dòng điện tương ứng (~2.75 A).

Mũi tên màu cam đi theo hướng ngược lại. Chúng ta bắt đầu với dòng điện mong muốn (1 A) và vạch ngang đến mức tăng nhiệt độ mong muốn (30 °C). Sau đó, chúng ta vạch dọc xuống để xác định kích thước dấu vết. Trong ví dụ này, giả sử chúng ta chỉ định trọng lượng đồng là 0.5 oz/sq. ft. Sau khi vạch xuống đến dòng này, chúng ta vạch ngang trở lại trục y để tìm chiều rộng dẫn điện khoảng ~40 mils. Giả sử chúng ta muốn sử dụng trọng lượng đồng là 1 oz/sq. ft.; trong trường hợp này, chúng ta sẽ thấy rằng chiều rộng dấu vết cần thiết cho công suất là 20 mils.

Nếu bạn sử dụng Altium Designer^®, bạn sẽ có quyền truy cập vào các công cụ định tuyến bao gồm một máy tính IPC-2221 xác định giới hạn dòng điện cho dấu vết với mục tiêu tăng nhiệt độ 20 °C. Các công cụ định tuyến và bố trí chiều rộng dấu vết PCB mạnh mẽ trong Altium Designer được xây dựng trên một mô hình thiết kế thống nhất duy nhất cho phép bạn chỉ định dấu vết và kích thước bạn cần trong quy tắc thiết kế của mình. Khi bạn hoàn thành thiết kế và muốn phát hành các tệp cho nhà sản xuất của mình, nền tảng Altium 365^™ giúp việc hợp tác và chia sẻ dự án của bạn trở nên dễ dàng.

Chúng tôi mới chỉ khám phá bề mặt của những gì có thể thực hiện với Altium Designer trên Altium 365. Bắt đầu dùng thử miễn phí Altium Designer + Altium 365 ngay hôm nay.