PCB-sporstrømskapacitet: Bredde, kobbervægt og IPC-2221

Hvert kobberspor er en tynd modstand, der varmes op, når der løber strøm gennem det. Hvis du dimensionerer det rigtigt, holder et printkort koldt i årevis; hvis du dimensionerer det kort, overopheder sporet, ælder laminatet og kan åbne som en sikring. Denne guide besvarer de spørgsmål, ingeniører rent faktisk søger efter – hvor mange ampere et spor fører, hvad 1 oz kobber er i millimeter, hvornår man skal skifte til tungt kobber – og viser, hvordan Highleap Electronics forvandler disse tal til et printkort, de kan fremstille og samle pålideligt.

1. Hvor mange ampere kan en kobberstrømsrør bære?

Der er ingen enkelt maksimal strømstyrke for et spor – grænsen er den temperaturstigning, du accepterer. Som en hurtig reference bærer et 1 mm (ca. 40 mil) bredt spor i 1 oz kobber på et ydre lag cirka 2 A ved en konservativ stigning på 10 °C og cirka 4 A ved en stigning på 30 °C. Strømmen opvarmer sporet i forhold til strømmen i anden gange modstanden, og sporet sætter sig, hvor det kan afgive varmen til det omgivende kobber, laminat og luft.

Tre sporegenskaber bestemmer modstanden og dermed opvarmningen. Tværsnitsarealet – bredden gange kobbertykkelsen – dominerer; en fordobling af begge dele halverer omtrent modstanden. Længden tilføjer proportional modstand og spændingsfald, men ændrer næsten ikke peaktemperaturen. Og kobberets modstand stiger med omkring 0.4 % pr. °C, så et varmt spor er et spor med en smule højere modstand, som giver mere varme tilbage. Tre miljøfaktorer bestemmer, hvor let varme slipper ud: det ydre versus det indre lag, den omgivende temperatur inde i kabinettet og eventuel luftstrøm eller køleafledning. Hvis du ikke er bekendt med, hvordan spor bygges og specificeres, er... Grundlæggende principper for PCB-spordesign er en nyttig primer inden dimensionering for styrke.

2. Hvad er tykkelsen på 1 oz kobber i mm? (kobbervægttabel)

1 oz kobber er omkring 35 mikron tykt, hvilket er 0.035 mm eller omtrent 1.37 mil. Kobbertykkelse angives i vægt pr. kvadratfod – en gammel konvention, der sætter nybegyndere på prøve – så de omregninger, der er værd at huske, er:

Da kapaciteten følger tværsnitsarealet, fører du mere strøm enten ved at udvide sporet eller ved at bestille tykkere kobber. På et tæt printkort, opgrader til en 3 oz kobberkonstruktion er ofte renere end at skabe plads til en meget bred bane, og til arbejde med høj effekt en fuld tungt kobber PCB er specialbygget til jobbet.

3. Sporbredde vs. aktuelt diagram (1 oz og 2 oz kobber)

For 1 g kobber på et ydre lag ved en konservativ stigning på 10 °C, kræver et 1 A-spor cirka 0.5 mm (20 mil) og et 3 A-spor cirka 1.8 mm (70 mil). Hele diagrammet nedenfor er et udgangspunkt baseret på IPC-2221 og erstatter ikke en beregning i forhold til dit eget temperaturmål; spor i det indre lag kræver typisk cirka dobbelt så brede.

Bredden vokser hurtigt med strømmen. Ud over et par ampere bliver et enkelt spor upraktisk, og det bedre svar er en kobberstøbning eller et plan, parallelle spor på flere lag syet med vias, eller tungere kobber – hvilket er hvor dedikeret strømkapacitetsteknik for tung kobber holder højstrømsskinner kølige.

4. Intern vs. ekstern sporbredde: hvorfor indre spor skal være bredere

En intern kabelføring skal have omtrent dobbelt så stor bredde som en ekstern kabelføring for at bære den samme strøm, fordi den er klemt inde i laminat og ikke kan afgive varme til luften. IPC-2221 bruger forskellige konstanter til de to tilfælde netop af denne grund – en ydre kabelføring afkøles ved konvektion til luft, mens en indre kabelføring er termisk isoleret og lagrer mere varme ved samme bredde.

Den praktiske konsekvens: en bredde, du har valideret for et ydre lag, kan stille og roligt overophede, hvis det samme net føres på et indre lag i et flerlagsprintkort. Når du flytter strøm mellem lag, skal du tilpasse størrelsen til det indre lags kabinet og bruge flere vias parallelt ved hver overgang, så lagskiftet ikke bliver en flaskehals.