Wydajność prądowa ścieżek PCB: szerokość, waga miedzi i IPC-2221

Każda ścieżka miedziana to cienki rezystor, który nagrzewa się pod wpływem przepływu prądu. Odpowiedni rozmiar zapewni płytce niską temperaturę przez lata; zbyt mały rozmiar spowoduje przegrzanie ścieżki, starzenie laminatu i pęknięcie jak bezpiecznik. Ten poradnik odpowiada na pytania, które inżynierowie często zadają sobie – ile amperów przenosi ścieżka, ile milimetrów to 1 uncja miedzi, kiedy przejść na grubą miedź – i pokazuje, jak Highleap Electronics przekształca te liczby w płytkę, którą można niezawodnie wyprodukować i zmontować.

1. Ile amperów może przenieść ścieżka miedziana?

Nie ma jednego maksymalnego prądu dla ścieżki – limitem jest akceptowany wzrost temperatury. Dla przypomnienia, ścieżka o szerokości 1 mm (około 40 mil) w miedzi o grubości 1 uncji (1 uncji) na warstwie zewnętrznej przenosi około 2 A przy umiarkowanym wzroście temperatury o 10°C i około 4 A przy wzroście temperatury o 30°C. Prąd nagrzewa ścieżkę proporcjonalnie do kwadratu prądu pomnożonego przez rezystancję, a ścieżka osiada wszędzie tam, gdzie może oddać to ciepło do otaczającej miedzi, laminatu i powietrza.

Trzy właściwości ścieżek decydują o rezystancji, a tym samym o nagrzewaniu. Dominuje pole przekroju poprzecznego – iloczyn szerokości i grubości miedzi; podwojenie któregokolwiek z nich zmniejsza rezystancję o połowę. Długość zwiększa proporcjonalnie rezystancję i spadek napięcia, ale prawie nie zmienia temperatury szczytowej. Rezystancja miedzi rośnie o około 0.4% na każdy °C, więc rozgrzana ścieżka ma nieco wyższą rezystancję, co powoduje oddawanie większej ilości ciepła. Trzy czynniki środowiskowe decydują o tym, jak łatwo ucieka ciepło: warstwa zewnętrzna i wewnętrzna, temperatura otoczenia wewnątrz obudowy oraz przepływ powietrza lub radiator. Jeśli nie znasz się na budowie i specyfikacji ścieżek, podstawy projektowania ścieżek PCB będą przydatnym wstępem przed doborem rozmiaru pod kątem mocy.

2. Jaka jest grubość 1 uncji miedzi w mm? (tabela gramatury miedzi)

1 uncja miedzi ma grubość około 35 mikronów, czyli 0.035 mm lub około 1.37 mil. Grubość miedzi jest podawana w gramaturze na stopę kwadratową – to stara konwencja, która wprowadza w błąd nowicjuszy – dlatego warto zapamiętać następujące przeliczniki:

Ponieważ pojemność ścieżek ma większy przekrój, możesz przepłynąć większy prąd, poszerzając ścieżkę lub zamawiając grubszą miedź. Na płytce o dużej gęstości, zastosowanie 3 uncji miedzi jest często bardziej estetyczne niż wygospodarowanie miejsca na bardzo szeroką ścieżkę, a do zastosowań wymagających dużej mocy specjalnie zaprojektowana jest płytka PCB z grubej miedzi .

3. Szerokość śladu w porównaniu z obecnym wykresem (1 uncja i 2 uncje miedzi)

Dla 1 uncji miedzi na warstwie zewnętrznej przy zachowawczym wzroście o 10°C, ścieżka 1 A wymaga około 0.5 mm (20 mil), a ścieżka 3 A około 1.8 mm (70 mil). Pełna tabela poniżej stanowi punkt wyjścia w oparciu o normę IPC-2221 i nie zastępuje obliczeń względem własnej temperatury docelowej; ścieżki w warstwie wewnętrznej zazwyczaj wymagają około dwukrotnie większej szerokości.

Szerokość szybko rośnie wraz z natężeniem prądu. Powyżej kilku amperów pojedyncza ścieżka staje się niepraktyczna, a lepszym rozwiązaniem jest wylewanie miedzi lub płaska warstwa, równoległe ścieżki na kilku warstwach zszytych przelotkami lub grubsza miedź – w tym przypadku dedykowana konstrukcja o dużej pojemności prądowej miedzi zapewnia chłodzenie szyn wysokoprądowych.

4. Szerokość ścieżki wewnętrznej i zewnętrznej: dlaczego ścieżki wewnętrzne muszą być szersze

Ścieżka wewnętrzna potrzebuje mniej więcej dwukrotnie większej szerokości niż ścieżka zewnętrzna, aby przewodzić ten sam prąd, ponieważ jest umieszczona w laminacie i nie może oddawać ciepła do powietrza. Norma IPC-2221 stosuje różne stałe dla obu przypadków właśnie z tego powodu – ścieżka zewnętrzna chłodzi się konwekcyjnie do powietrza, podczas gdy ścieżka wewnętrzna jest izolowana termicznie i magazynuje więcej ciepła przy tej samej szerokości.

Konsekwencja praktyczna: szerokość, którą sprawdziłeś dla warstwy zewnętrznej, może się dyskretnie przegrzewać, jeśli ta sama sieć jest poprowadzona na warstwie wewnętrznej w płytce wielowarstwowej. Podczas przesyłania zasilania między warstwami, należy dostosować rozmiar obudowy do warstwy wewnętrznej i zastosować wiele przelotek równolegle przy każdym przejściu, aby zmiana warstwy nie stała się wąskim gardłem.