Proudová kapacita trasování desek plošných spojů: šířka, hmotnost mědi a IPC-2221

Každý měděný vodič je tenký rezistor, který se zahřívá, když jím protéká proud. Pokud jej správně nadimenzujete, deska se bude roky chladit; pokud jej nadimenzujete krátce, vodič se přehřeje, laminát zestárne a může se rozpojit jako pojistka. Tato příručka odpovídá na otázky, které inženýři skutečně hledají – kolik ampérů vodič unese, kolik je 1 unce mědi v milimetrech, kdy přejít na těžkou měď – a ukazuje, jak společnost Highleap Electronics tato čísla proměňuje v desku, kterou dokáže spolehlivě vyrobit a sestavit.

1. Kolik ampérů může měděný vodič unést?

Neexistuje žádný jediný maximální proud pro vodič – limitem je jakýkoli nárůst teploty, který akceptujete. Pro rychlou orientaci, 1 mm (asi 40 mil) široký vodič v 1 oz mědi na vnější vrstvě nese zhruba 2 A při konzervativním nárůstu teploty 10 °C a asi 4 A při nárůstu teploty 30 °C. Proud zahřívá vodič úměrně proudu na druhou mocninu krát odpor a vodič se usazuje všude, kde může toto teplo odvádět do okolní mědi, laminátu a vzduchu.

Tři vlastnosti vodičů určují odpor, a tedy i zahřívání. Dominantní je plocha průřezu – šířka krát tloušťka mědi; zdvojnásobení obou parametrů zhruba snižuje odpor na polovinu. Délka proporcionálně zvyšuje odpor a pokles napětí, ale sotva mění maximální teplotu. Odpor mědi se zvyšuje přibližně o 0.4 % na °C, takže vodič s horkým odporem je vodič s mírně vyšším odporem, který se zpětně odvádí do většího množství tepla. Tři faktory prostředí určují, jak snadno teplo uniká: vnější versus vnitřní vrstva, okolní teplota uvnitř pouzdra a proudění vzduchu nebo odvod tepla. Pokud s konstrukcí a specifikací vodičů teprve začínáte, základy návrhu vodičů na deskách plošných spojů jsou užitečným úvodem před dimenzováním pro napájení.

2. Jaká je tloušťka mědi v mm (1 unce)? (tabulka hmotnosti mědi)

1 g mědi má tloušťku asi 35 mikronů, což je 0.035 mm nebo zhruba 1.37 mil. Tloušťka mědi se udává hmotností na čtvereční stopu – stará konvence, která zaskočí nováčky – takže převody, které stojí za to si zapamatovat, jsou:

Protože kapacitní stopy mají průřez, můžete přenášet větší proud buď rozšířením stopy, nebo objednáním silnější mědi. Na husté desce je zvýšení na 3 g mědi často čistší než vyřezávání místa pro velmi širokou stopu a pro práci s vysokým výkonem je pro tento účel určena plně těžká měděná deska plošných spojů .

3. Graf šířky stopy vs. proudu (měď o hmotnosti 1 unce a 2 unce)

Pro 1 unci mědi na vnější vrstvě při konzervativním nárůstu teploty o 10 °C potřebuje vodič 1 A zhruba 0.5 mm (20 mil) a vodič 3 A zhruba 1.8 mm (70 mil). Celá tabulka níže je výchozím bodem založeným na IPC-2221, nenahrazuje výpočet s ohledem na vaši vlastní cílovou teplotu; vodiče vnitřní vrstvy obvykle potřebují přibližně dvojnásobek této šířky.

Šířka se s proudem rychle zvětšuje. Za několik ampérů se stává jediná trasa nepraktická a lepším řešením je lití mědi nebo rovina, paralelní trasy na několika vrstvách prošité průchodkami nebo silnější měď – a právě zde specializovaná konstrukce s vysokou proudovou kapacitou pro silnou měď udržuje vysokoproudé kolejnice chladné.

4. Vnitřní vs. vnější šířka stopy: proč musí být vnitřní stopy širší

Vnitřní vodič potřebuje zhruba dvojnásobnou šířku než vnější vodič, aby vedl stejný proud, protože je vložený do laminátu a nemůže odvádět teplo do vzduchu. IPC-2221 používá pro oba případy různé konstanty právě z tohoto důvodu – vnější vodič se ochlazuje konvekcí do vzduchu, zatímco vnitřní vodič je tepelně izolován a při stejné šířce akumuluje více tepla.

Praktický důsledek: šířka, kterou jste ověřili pro vnější vrstvu, se může nenápadně přehřát, pokud je stejná síť vedena na vnitřní vrstvě ve vícevrstvé desce. Při přesunu napájení mezi vrstvami zohledněte velikost vnitřní vrstvy a při každém přechodu použijte více propojek paralelně, aby se změna vrstev nestala úzkým hrdlem (horkým hrdlem).