PCB-spoorstroomcapaciteit: breedte, kopergewicht en IPC-2221

Elke koperen printspoor is een dunne weerstand die opwarmt wanneer er stroom doorheen loopt. Kies de juiste dikte en een printplaat blijft jarenlang koel; kies een te dunne printspoor en het spoor raakt oververhit, waardoor het laminaat veroudert en het spoor kan doorslaan als een zekering. Deze handleiding beantwoordt de vragen die engineers daadwerkelijk stellen – hoeveel ampère een printspoor geleidt, wat 1 ounce koper in millimeters is, wanneer je moet overschakelen op dikker koper – en laat zien hoe Highleap Electronics deze cijfers omzet in een printplaat die ze betrouwbaar kunnen produceren en assembleren.

1. Hoeveel ampère kan een koperen printplaat geleiden?

Er bestaat geen vaste maximale stroomsterkte voor een printspoor; de limiet wordt bepaald door de temperatuurstijging die je accepteert. Ter referentie: een printspoor van 1 mm (ongeveer 40 mil) breed in 1 oz koper op een buitenlaag voert ruwweg 2 A bij een conservatieve temperatuurstijging van 10 °C en ongeveer 4 A bij een stijging van 30 °C. Stroom verwarmt het printspoor evenredig met het kwadraat van de stroomsterkte vermenigvuldigd met de weerstand, en het printspoor stabiliseert zich op de plek waar het die warmte kan afvoeren naar het omringende koper, laminaat en de lucht.

Drie eigenschappen van printsporen bepalen de weerstand en daarmee de opwarming. De dwarsdoorsnede – breedte maal koperdikte – is doorslaggevend; een verdubbeling van een van beide halveert de weerstand ongeveer. De lengte voegt evenredig weerstand en spanningsval toe, maar verandert de piektemperatuur nauwelijks. De weerstand van koper stijgt met ongeveer 0.4% per °C, dus een heet printspoor heeft een iets hogere weerstand, wat weer leidt tot meer warmte. Drie omgevingsfactoren bepalen hoe gemakkelijk warmte kan ontsnappen: de buitenste versus de binnenste laag, de omgevingstemperatuur in de behuizing en eventuele luchtstroom of koeling. Als u nog niet bekend bent met de constructie en specificatie van printsporen, vormen de basisprincipes van printspoorontwerp een nuttige inleiding voordat u gaat dimensioneren voor vermogen.

2. Wat is de dikte van 1 ounce koper in mm? (grafiek met kopergewichten)

1 ounce koper is ongeveer 35 micron dik, oftewel 0.035 mm of ruwweg 1.37 mil. De dikte van koper wordt aangegeven in gewicht per vierkante voet – een oude conventie die beginners vaak in de war brengt – dus de volgende omrekeningen zijn handig om te onthouden:

Omdat de capaciteit afhankelijk is van de dwarsdoorsnede, kun je meer stroom geleiden door de printsporen te verbreden of door dikker koper te gebruiken. Op een compacte printplaat is het gebruik van 3 oz koper vaak een schonere oplossing dan het creëren van ruimte voor zeer brede printsporen, en voor toepassingen met hoog vermogen is een volledig dikke koperen printplaat speciaal ontworpen.

3. Grafiek spoorbreedte versus stroomsterkte (1 oz en 2 oz koper)

Voor 1 ounce koper op een buitenlaag bij een conservatieve temperatuurstijging van 10 °C heeft een 1 A-spoor ongeveer 0.5 mm (20 mil) nodig en een 3 A-spoor ongeveer 1.8 mm (70 mil). De volledige tabel hieronder is een uitgangspunt gebaseerd op IPC-2221 en geen vervanging voor een berekening op basis van uw eigen temperatuurdoel; binnenlaagsporen hebben doorgaans ongeveer het dubbele van deze breedtes nodig.

De breedte neemt snel toe met de stroomsterkte. Boven de paar ampère wordt een enkele printspoor onpraktisch en is een koperen laag of vlak, parallelle printsporen op meerdere lagen verbonden met via's, of dikker koper een betere oplossing. In dat laatste geval zorgt speciaal ontworpen dik koper met een hoge stroomcapaciteit ervoor dat de rails met hoge stroomsterkte koel blijven.

4. Breedte van interne versus externe sporen: waarom interne sporen breder moeten zijn

Een interne printspoor heeft ongeveer twee keer de breedte van een externe printspoor nodig om dezelfde stroom te geleiden, omdat deze is ingekapseld in laminaat en geen warmte aan de lucht kan afvoeren. IPC-2221 gebruikt om deze reden verschillende constanten voor de twee gevallen: een externe printspoor koelt af door convectie naar de lucht, terwijl een interne printspoor thermisch geïsoleerd is en bij dezelfde breedte meer warmte opslaat.

Het praktische gevolg: een breedte die je hebt gevalideerd voor een buitenste laag kan ongemerkt oververhit raken als hetzelfde net op een binnenste laag van een meerlaagse printplaat wordt aangebracht. Wanneer je stroom tussen lagen verplaatst, dimensioneer de breedte dan voor de binnenste laag en gebruik meerdere via's parallel bij elke overgang, zodat de laagovergang geen hete bottleneck wordt.