Piirilevyn virtalaskuri: Jälkijohteiden leveyden ja reikien mitoitus IPC-2221-kaavalla

Piirilevyn virtalaskuri muuttaa petollisen yksinkertaisen kysymyksen – "kuinka leveän johtimen täytyy olla?" – suunnittelussa käytettäväksi luvuksi. Jos virtajohtimesta tehdään liian pieni koko, se kuumenee, jännite laskee ja voi lopulta rikkoutua; jos taas kaikki on liian suuri, tuhlaat piirilevytilaa, jota sinulla ei ehkä ole. Tämä opas selittää IPC-2221-standardin mukaisen matematiikan, jota jokainen piirilevyn johtimen leveysvirtalaskuri käyttää, näyttää täydellisen käytännön esimerkin, jonka voit toistaa käsin, ja laajentaa saman ajattelutavan läpivienteihin. Sama matematiikka on jokaisen siihen liittyvän työkalun – piirilevyn johtimen virtalaskimen, läpivientivirtalaskimen ja piirilevyn läpivientivirtalaskimen – taustalla ja jokapäiväisen kysymyksen taustalla siitä, kuinka paljon johtimen leveyttä tietty virta tarvitsee.

Seuraavassa kerrotaan, kuinka Highleap Electronicsin DFM-insinöörit tarkistavat virtaa kuljettavan kuparin kunnon ennen piirilevyn valmistusta.

1. Mitä piirilevyvirtalaskuri tekee ja miksi johtimen leveydellä on merkitystä

Piirilevyn virtalaskuri yhdistää neljä suuretta: johtimen kuljettaman virran, sen kuparin poikkileikkauspinta-alan, virran aiheuttaman lämpötilan nousun ja sen, onko johdin ulko- vai sisäkerroksessa. Jos määrität mitkä tahansa kolme, laskin ratkaisee neljännen. Käytännössä suunnittelijat käyttävät sitä kahdella tavalla – joko löytääkseen jo piirtämänsä johtimen suurimman turvallisen virran tai löytääkseen syötettävän virran pienimmän leveyden.

Fysiikka on suoraviivaista: kuparilla on vastus, vastuksen läpi kulkeva virta tuottaa lämpöä (I²R), ja tämä lämpö nostaa johtimen lämpötilaa, kunnes se saavuttaa tasapainon ympäristönsä kanssa. Leveämmässä tai paksummassa johtimessa on enemmän kuparia, pienempi vastus ja suurempi pinta-ala lämmön luovuttamiseksi, joten se kuljettaa enemmän virtaa samalla lämpötilan nousulla.

Miksi tämä on luotettavuusongelma

Ylikuumentunut johdin ei ainoastaan ​​lämpene. Jatkuva korkea lämpötila kiihdyttää kuparin hapettumista, heikentää sitä ympäröivää laminaattia, lisää vastusta entisestään vahingollisessa takaisinkytkentäsilmukassa ja tehopiireissä voi irrottaa kontaktityynyjä tai avata johtimen kokonaan. Virtaa kuljettavan kuparin oikea mitoitus on yksi edullisimmista luotettavuusinvestoinneista suunnittelussa.

Miksi lämpötilan nousu on suunnitteluvalinta

Juoksuradalle ei ole olemassa yhtä ainoaa "nimellisvirtaa" – ainoastaan ​​virta hyväksyttävälle lämpötilan nousulle. 10 °C:n nousu on varovainen ja yleinen arvo; 20 °C:n nousu on laajalti käytetty arvo; suuremmat nousut tiivistävät enemmän virtaa pienempään kuparimäärään marginaalin kustannuksella. Sallitun ΔT:n valitseminen on ensimmäinen päätös ennen kuin mikään laskin antaa mielekkään vastauksen.

2. IPC-2221-kaava jokaisen jälkileveyslaskimen takana

Lähes jokainen verkossa oleva piirilevyvirran laskin käyttää samaa IPC-2221:n empiiristä yhtälöä, joka on johdettu todellisten jälkien lämmityskäyristä.

Tässä I on virta ampeereina, ΔT on sallittu lämpötilan nousu °C:eina ja A on johtimen poikkileikkauspinta-ala neliömillimetreinä . Vakio k kuvaa jäähdytysolosuhteita: se on 0.048 ulkoisille johtimille, jotka altistuvat ilmalle ja jäähtyvät hyvin, ja 0.024 sisäisille johtimille, jotka on upotettu laminaattiin ilman konvektiivista jäähdytystä.

Kuparin painon muuttaminen paksuudeksi

Poikkileikkauspinta-ala on leveys kertaa paksuus, ja paksuus tulee kuparin painosta. Yksi unssi kuparia levitettynä neliöjalalle on 1.37 miliä (noin 35 µm) paksu. Joten 50 miliä leveän 1 unssin paksuisen johtimen poikkileikkaus on 50 × 1.37 = 68.5 mil². Kaksinkertaistamalla 2 unssiin kuparia paksuus kaksinkertaistuu 2.74 miliin ja siten pinta-ala kaksinkertaistuu samalla leveydellä.

IPC-2221 vs. IPC-2152

IPC-2221 on klassinen ja varovainen viitemalli, jota useimmat nopeat laskimet käyttävät. Uudempi IPC-2152 ottaa huomioon lisätekijöitä – piirilevyn paksuuden, kuparipintojen läsnäolon ja lämpöympäristön – ja yleensä sallii kapeammat käyrät tai ennustaa matalampia lämpötiloja, koska se mallintaa lämmön leviämistä realistisemmin. Tiukkoihin tehosuunnitteluihin IPC-2152 on lisätarkkuuden arvoinen; jokapäiväiseen mitoitukseen IPC-2221 tarjoaa turvallisen lähtökohdan.

3. Jäljen leveyden laskeminen vaihe vaiheelta (käytännössä käytetty esimerkki)

Kaavan kerran käsin suorittaminen tekee jokaisesta laskimen tuloksesta intuitiivisen. Oletetaan, että tarvitset ulkoisen johtimen kuljettamaan 5 ampeeria 10 °C:n lämpötilan nousulla 1 unssin painoisella levyllä.

Vaihe 1 — Järjestä pinta-alan kaava uudelleen

Ratkaise I = k × ΔT ^0.44 × A ^0.725 A:lle:

Vaihe 2 — Syötä arvot

Kun k = 0.048 (ulkoinen) ja ΔT = 10: ΔT ^0.44 = 10 ^0.44 ≈ 2.75. Joten k × ΔT ^0.44 = 0.048 × 2.75 ≈ 0.132. Silloin I ÷ 0.132 = 5 ÷ 0.132 ≈ 37.9.

Vaihe 3 — Ratkaise alue

Korotetaan luku 37.9 potenssiin (1 ÷ 0.725 ≈ 1.379): A ≈ 37.9 ^1.379 ≈ 150 mil².

Vaihe 4 — Muunna pinta-ala leveydeksi

Jaa tämä 1 unssin paksuudella, joka on 1.37 mil: leveys = 150 ÷ ​​1.37 ≈ 110 mil (noin 2.8 mm). Tämä on pienin ulkoleveys 5 A:lle 10 °C:n nousulla.

Vaihe 5 — Tarkista sisäkerroksen kotelo

Jos sama jälki kulkisi sisäkerroksessa, k putoaa 0.024:ään – puoleen arvosta. 0.725 eksponentin vuoksi k:n puolittaminen ei ainoastaan ​​kaksinkertaista pinta-alaa, vaan se kasvattaa sitä noin 2.6 × (2· ^1.379 ). Joten sama 5 A 10 °C:n lämpötilan nousulla tarvitsee nyt noin 390 mil² , noin 285 mil leveänä. Tästä syystä virransyöttö pidetään ulkokerroksissa tai sille annetaan paksumpaa kuparia, kun se on mentävä sisäkerroksiin.

Nämä ovat ensimmäisen asteen lukuja; sallitun ΔT:n tai kuparin painon nostaminen pienentää leveyttä nopeasti, ja juuri tätä kauppatilaa laskin antaa sinun tutkia.

4. Läpivirtakapasiteetti: Läpivientien mitoitus ja ompelu

Jäljet ​​ovat vasta puolet tarinasta. Sähköverkon on yleensä vaihdettava kerroksia, ja liian pienestä läpiviennistä tulee polun kuumin ja resistiivisin kohta.

Miten nykyinen kapasiteetti arvioidaan

Pinnoitettu läpivienti käyttäytyy kuin lyhyt, rullalle kääritty kuparijohdin: sen virtakapasiteetti riippuu sen sylinterin kuparin poikkileikkauksesta, joka määräytyy valmiin reiän halkaisijan ja pinnoitteen paksuuden mukaan. Yleinen suunnittelutapa on käsitellä rullaamatonta sylinteriä (pinnoitteen ympärysmitta kerrottuna sen paksuudella) vastaavana johtimen poikkileikkauksena ja soveltaa samaa IPC-tyyppistä päättelyä, johon lisätään sitten marginaali, koska läpiviennit jäähtyvät heikommin kuin pintakupari.

Reikien ompelu rinnakkain

Yhden suuren läpiviennin sijaan suunnittelijat kuljettavat suuren virran useiden rinnakkaisten läpivientien kautta ("läpivientien ompelu"). Useat läpiviennit jakavat virran, pienentävät yhdistettyä vastusta ja levittävät lämpöä, mikä on paljon kestävämpää kuin yksi reikä. Hyödyllinen tapa on budjetoida maltillinen virta läpivientiä kohden ja lisätä tarpeeksi läpivientejä peittämään verkko marginaalilla.

Kun Highleap tarkistaa tehosuunnittelua, varmistamme, että läpivientien lukumäärät ja pinnoitus tukevat nettovirtaa – samaa läpivientien ompeluperustelua käyttäen, jota on kuvattu edellä – että raskaat kuparikerrokset ovat valmistettavissa ja että pinoaminen todella tuottaa laskimen olettaman poikkileikkauksen.

5. Yleisiä piirilevyjen virran laskentavirheitä ja parempia käytäntöjä

Kaava on luotettava; suunnittelussa menee pieleen juuri syötteet.

• Ulkoisen k:n käyttäminen sisäisessä jäljityksessä. Jos unohdetaan vaihtaa arvosta 0.048 arvoon 0.024, sisäinen kapasiteetti yliarvioituu noin kaksinkertaisesti.
• Olettaen, että valmis kupari vastaa peruskuparia. Pinnoitus lisää paksuutta ulkokerroksiin; sisäkerrokset pysyvät lähellä nimellispaksuutta. Käytä realistista lopputulosta.
• Ympäristön ja lähellä olevan lämmön huomiotta jättäminen. ΔT on nousu paikallisen ympäristön yläpuolelle, jota ympäröivät komponentit voivat jo nostaa.
• Välireiän unohtaminen kerrosta vaihtavassa virtaverkossa. Oikein mitoitettu johdin, joka syöttää alikokoista läpivientiä, siirtää kuuman pisteen läpivientiin.
• Mitoitus vain tasaiselle virralle. Syöksy-, vika- ja pulssivirrat voivat ylittää vakioarvon ja vaativat oman tarkistus- tai sulakestrategiansa.
• IPC-2221:tä käsitellään täsmälleen samanlaisena. Se on konservatiivinen ja kaavioihin perustuva; marginaalitehosuunnitteluissa validoi IPC-2152:lla tai lämpötestauksella.

Parempi käytäntö on päättää ensin sallittu lämpötilan nousu, käyttää realistista valmiin kuparin paksuutta, pitää ulkokerroksissa suuri virta tai määrittää paksumpi kupari, mitoittaa läpiviennit ja johtimet harkitusti ja lisätä marginaali transienttivirroille. Varmista sitten valmistajan kanssa, että valittu kerrosrakenne ja kuparin paino ovat todella rakennettavissa ennen asettelun vahvistamista.

6. Kun numerot viittaavat raskaaseen kupariin

Virtalaskelmasta on hyötyä vain, jos piirilevy voidaan rakentaa sitä vastaavaksi – ja todellisissa tehosuunnitteluissa kaavan antama vastaus viittaa usein yli standardin 1 gramman kuparijohtimien määrän. Kymmenien ampeerien kuljettaminen ilman suuria lämpötilan nousuja tarkoittaa yleensä 2, 3 tai yli 6 gramman kuparijohtimia, leveämpiä etäisyyksiä paksujen johtimien välillä ja vastaavasti pinnoitettuja läpivientirakenteita. Nämä ovat valmistusparametreja, joten niiden rakennettavuus kannattaa varmistaa ennen suunnitelman lukitsemista.

Highleap valmistaa tuotteita vakiokokoisista 1 g:n levyistä paksuihin kuparipiireihin . Me tarkistamme johtimien leveydet, kuparin painon ja läpivientien lukumäärän verrattuna rakenteen todelliseen virrankantokykyyn – ja ilmoitamme, missä kohtaa IPC-2152-standardin avulla voit kiristää sitä. Lähetä meille virta-, lämpötilannousutavoite- ja kerrosrakennetiedot, niin vahvistamme, että kupari on valmistettava.

Tarjouspyyntö korkean virran piirilevyllesi

7. Usein Kysytyt Kysymykset

Mitä kaavaa piirilevyn virtalaskuri käyttää?

Useimmat käyttävät IPC-2221-yhtälöä I = k × ΔT ^0.44 × A ^0.725 , jossa I on virta ampeereina, ΔT on sallittu lämpötilan nousu °C:na, A on poikkileikkauspinta-ala mil²:nä ja k on 0.048 ulkoisille johtimille tai 0.024 sisäisille johtimille. Uudempi IPC-2152-standardi tarkentaa tätä piirilevy- ja lämpökertoimilla.

Miksi sisäisten jälkien pitää olla leveämpiä kuin ulkoisten?

Sisäiset johdinjohdot on haudattu laminaattiin ilman ilmajäähdytystä, joten ne luovuttavat lämpöä paljon tehottomammin. IPC-2221-kaavassa niiden vakio k on puolet ulkoisten johdinjohtojen vakiosta (0.024 vs. 0.048) – ja 0.725 eksponentin vuoksi puolitettu k tarkoittaa, että samaa virtaa ja lämpötilan nousua varten tarvitaan noin 2.6-kertainen poikkileikkauspinta-ala.

Miten kuparin paino vaikuttaa virtakapasiteettiin?

Kuparipaino määrää johtimen paksuuden – 1 grammaa on noin 1.37 millimetriä paksu – ja paksuus kertoo leveyden, jolloin saadaan poikkileikkauspinta-ala. Kuparipainon kaksinkertaistaminen 1 grammasta 2 grammaan kaksinkertaistaa saman leveyden omaavan pinta-alan, joten johdin kuljettaa huomattavasti enemmän virtaa samalla lämpötilan nousulla.

Minkälaista lämpötilan nousua minun tulisi suunnitella?

10 °C:n nousu on varovainen ja yleinen valinta, ja 20 °C:ta käytetään laajalti. Oikea arvo riippuu laminaatin lämpötilaluokituksesta, kotelon sisällä olevasta ympäristön lämpötilasta ja haluamastasi marginaalista. Muista, että nousu lisätään paikallisen ympäristön lämpötilan, ei huonelämpötilan, päälle.

Miten mitoitan läpiviennin suurta virtaa varten?

Käsittele pinnoitettua runkoa lyhyenä johtimena, jonka kuparin poikkileikkaus riippuu reiän halkaisijasta ja pinnoitteen paksuudesta, ja lisää sitten marginaali, koska läpiviennit jäähtyvät huonosti. Todellisissa tehoverkoissa käytä useita läpivientejä rinnakkain (läpivientien ompelu), jotta ne jakavat virran ja levittävät lämpöä yhden suuren reiän sijaan.

Onko IPC-2221 vai IPC-2152 parempi?

IPC-2221 on yksinkertaisempi ja varovaisempi, joten se on turvallinen oletusarvo nopeaan mitoitukseen. IPC-2152 on tarkempi, koska se ottaa huomioon piirilevyn paksuuden, kuparitasot ja lämpöympäristön, ja se sallii usein kapeammat johtimet. Tiukoissa tai suuritehoisissa malleissa validointi IPC-2152:lla tai lämpötestauksella on hyödyllistä.