Kalkulator szerokości ścieżek PCB: Jak dobrać rozmiar ścieżek do natężenia prądu, spadku napięcia i impedancji

Szerokość ścieżki wydaje się prosta, ale łatwo ją pomylić: zbyt wąska ścieżka zasilania przegrzewa się lub spada napięcie zbyt mocno; zbyt szeroka marnuje miejsce lub powoduje zaburzenie impedancji. Kalkulator szerokości ścieżki podaje możliwą do obrony wartość początkową, ale wiedza o tym, jaką wartość wprowadzić, odróżnia niezawodną płytkę od takiej, która zawodzi pod obciążeniem. Ten poradnik odpowiada na istotne pytania – jaka szerokość dla danego prądu, ścieżka wewnętrzna czy zewnętrzna, jak dobrać rozmiar ścieżek 50-omowych – i pokazuje, jak Highleap Electronics dba o to, aby szerokość ścieżki przetrwała proces produkcyjny.

1. Jak działa kalkulator szerokości ścieżek PCB?

Kalkulator szerokości ścieżki PCB wykorzystuje wzór IPC-2221 do obliczenia wstecz od aktualnego, dopuszczalnego wzrostu temperatury, masy miedzi i warstwy do minimalnej szerokości ścieżki. Prąd jest dominującym sygnałem wejściowym – wymagany obszar gwałtownie rośnie wraz z nim – podczas gdy wzrost temperatury ma znacznie mniejszy wpływ, więc dążenie do wyższej dopuszczalnej temperatury nie zapewnia dodatkowej pojemności. Sygnały wejściowe:

• Aktualny – maksymalny ciągły prąd, jaki będzie przewodził ślad.
• Dopuszczalny wzrost temperatury – 10°C to cel konserwatywny; w przykładach często podaje się 30°C. Niższy wzrost oznacza szerszy ślad.
• Waga miedziana – zwykle 1 uncja lub 2 uncje; cięższa miedź przenosi ten sam prąd, ale na mniejszej szerokości.
• Warstwa (zewnętrzna lub wewnętrzna) – wewnętrzne ścieżki wymagają mniej więcej dwukrotnie większej szerokości dla tego samego prądu.

Dwie uwagi interpretacyjne zapobiegają błędom: formuła opiera się na danych testowych z gołymi śladami i jest optymistyczna w przypadku zatłoczonych rzeczywistych płytek, dlatego należy dodać margines na ciągłych ścieżkach zasilania; a wynik będzie minimalny, a nie docelowy – szerszy ślad zasilania rzadko powoduje szkody, ale realne szkody występują w zbyt wąskim. Gdy wymagana szerokość staje się niepraktyczna, należy zwiększyć ciężkie miedziane PCB jest często czystszy. Podstawowe informacje o tym, jak ślady przewodzą prąd, znajdują się w tym Podkład śladowy PCB.

2. Jaką szerokość ścieżki potrzebuję dla 1, 3 lub 5 amperów?

Dla 1 uncji miedzi na warstwie zewnętrznej przy zachowawczym wzroście o 10°C, 1 A wymaga około 0.5 mm (20 mil), 3 A około 1.8 mm (70 mil), a 5 A około 3.3 mm (130 mil). Pełny wykres stanowi punkt wyjścia oparty na normie IPC-2221 i nie zastępuje obliczeń względem własnej temperatury docelowej; ślady na warstwie wewnętrznej wymagają mniej więcej dwukrotnie:

Szerokość szybko rośnie wraz z natężeniem prądu. Powyżej kilku amperów pojedyncza ścieżka staje się niepraktyczna i właściwym rozwiązaniem jest wylewanie miedzi, płaska lub grubsza miedź – szyny wysokoprądowe nie powinny być montowane na cienkich torach, do których są dedykowane. inżynieria prądowa o dużej wytrzymałości miedzi utrzymuje je w chłodzie.

3. Szerokość ścieżki wewnętrznej i zewnętrznej: dlaczego ścieżki wewnętrzne są 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. Z tego powodu norma IPC-2221 stosuje różne stałe dla obu przypadków – ścieżka zewnętrzna chłodzi się konwekcyjnie do powietrza, podczas gdy ścieżka wewnętrzna jest izolowana termicznie i magazynuje więcej ciepła przy tej samej szerokości.

Praktyczną konsekwencją jest to, że szerokość sprawdzona dla warstwy zewnętrznej może się dyskretnie przegrzewać, jeśli ta sama sieć jest poprowadzona na warstwie wewnętrznej płytki wielowarstwowej. Podczas przesyłania zasilania między warstwami należy dostosować rozmiar obudowy warstwy wewnętrznej i równolegle połączyć wiele przelotek na każdym przejściu, aby zmiana warstwy nie stała się wąskim gardłem.

4. Jak określić rozmiar ścieżki o kontrolowanej impedancji 50 omów

Rozmiar ścieżki 50-omowej należy określać na podstawie układu warstw, a nie na podstawie kalkulatora prądu: jej szerokość zależy od grubości dielektryka pod spodem, masy miedzi i stałej dielektrycznej laminatu. Sygnały o dużej szybkości i częstotliwości radiowej są wymiarowane pod kątem impedancji – zazwyczaj 50 omów dla połączeń jednostronnych lub par różnicowych o impedancji docelowej 90 lub 100 omów – a szerokość oparta na prądzie po prostu nie ma zastosowania.

Wynikają z tego dwie konsekwencje. Po pierwsze, nie można wybrać szerokości kontrolowanej impedancją w izolacji; jest ona zablokowana w stosie, więc szybki stos Musi zostać ustalona przed geometrią ścieżki. Po drugie, producent musi precyzyjnie zbudować tę geometrię, aby uzyskać prawidłową impedancję, co oznacza, że ​​ścieżki o kontrolowanej impedancji należy uzgodnić z producentem płytki, używając odpowiednich kontrola impedancji przetwarzanie.

5. Typowe błędy szerokości ścieżek na PCB

Najczęstsze błędy w szerokości ścieżek to używanie jednej domyślnej szerokości dla wszystkich, ignorowanie kary za warstwę wewnętrzną, pomijanie spadku napięcia oraz dobieranie rozmiaru ścieżek sygnałowych pod kątem prądu zamiast impedancji. Każdy z nich ma proste rozwiązanie:

• Jedna domyślna szerokość dla wszystkiego – dobre dla sygnałów, niebezpiecznie wąskie dla mocy. Rozmiar śladów mocy zależy od ich prądu.
• Ignorowanie kary za warstwę wewnętrzną – odpowiednia szerokość zewnętrzna może przegrzać wewnętrzną warstwę, której potrzeba mniej więcej dwa razy więcej.
• Zapominając o spadku napięcia – chłodny przewód może nadal powodować zbyt duży spadek napięcia na niskonapięciowej szynie wysokiego prądu. Rozmiar uwzględniający zarówno ciepło, jak i spadek napięcia, jest częścią dobrego zarządzanie termiczne.
• Rozmiarowanie śladów sygnału dla prądu – ścieżki o dużej prędkości wymagają szerokości opartych na impedancji i powiązanych ze stosem, a nie szerokości prądu IPC-2221.
• Określanie szerokości mniejszych niż te, które może utworzyć proces – potwierdź minimalną szerokość i odstępy z wykonawcą.

6. Czy szerokość ścieżki przetrwa proces produkcji?

Szerokość, którą rysujesz, nie jest dokładnie taka, jaką uzyskasz – trawienie usuwa odrobinę miedzi z boków każdej ścieżki, przez co gotowa ścieżka jest nieco węższa niż projektowana, a grubsza warstwa miedzi poszerza tę tolerancję. W przypadku ciasnych ścieżek zasilania powoduje to niekorzystne zmiany w obciążalności prądowej i spadku napięcia; w przypadku ścieżek o kontrolowanej impedancji może to spowodować przesunięcie impedancji. Jeśli szerokość ma kluczowe znaczenie, należy potwierdzić założenia projektowe z wykonawcą.

Wstępnie zbudowana kontrola projektu pod kątem produkcji Potwierdza, że ​​szerokości i odstępy ścieżek mieszczą się w zakresie możliwości procesu, że ścieżki zasilania spełniają wymagania dotyczące prądu i spadku napięcia po wytrawieniu oraz że ścieżki o kontrolowanej impedancji są dopasowane do możliwego do zbudowania stosu. Następnie Highleap przeprowadza płytkę przez produkcja z grubej miedzi i montażu, z opcjami grubej miedzi do projektów wysokoprądowych oraz przetwarzaniem i testowaniem o kontrolowanej impedancji dla płytek o dużej prędkości. W zapytaniu ofertowym prosimy o podanie masy miedzi, maksymalnego prądu na ścieżkach zasilania, wszelkich szyn wrażliwych na spadki napięcia oraz wszelkich wymagań dotyczących kontrolowanej impedancji wraz z ich celem i układem warstw.

Zacytuj moją tablicę

7. Często zadawane pytania dotyczące szerokości ścieżek PCB

Jakiej szerokości ścieżki potrzebuję dla 1 ampera?

Dla 1 uncji miedzi na warstwie zewnętrznej przy zachowawczym wzroście o 10°C, około 0.5 mm (około 20 mil). Przy 2 uncjach miedzi, około połowa tego. Ścieżki wewnętrzne wymagają mniej więcej dwukrotnie więcej dla tego samego prądu.

Dlaczego ślady wewnętrzne muszą być szersze niż zewnętrzne?

Wewnętrzne ścieżki są otoczone laminatem i nie mogą oddawać ciepła do powietrza, więc aby przewodzić taki sam prąd przy takim samym wzroście temperatury, potrzebują mniej więcej dwukrotnie większej szerokości niż ścieżka zewnętrzna.

Jak określić rozmiar śladu w oparciu o impedancję zamiast prądu?

Szerokość kontrolowana impedancją jest ustalana na podstawie grubości dielektryka, masy miedzi i stałej dielektrycznej materiału, więc jest powiązana z układem warstw. Najpierw wybierz układ warstw, oblicz go i potwierdź projekt z wykonawcą.

Czy ścieżki zasilania i sygnału powinny mieć tę samą szerokość?

Nie. Ścieżki zasilania są wymiarowane pod kątem prądu i spadku napięcia i często są znacznie szersze; ścieżki sygnałowe są wymiarowane pod kątem trasowania lub, w przypadku linii dużych prędkości, impedancji. Jedna domyślna szerokość w obu przypadkach jest częstą przyczyną przegrzewania.

Czy Highleap potrafi budować płytki o dużej grubości miedzi i kontrolowanej impedancji?

Tak. Highleap oferuje grubą miedź do projektów wysokoprądowych oraz do przetwarzania i testowania z kontrolowaną impedancją dla szybkich płytek, z możliwością kontroli możliwości produkcyjnych w celu potwierdzenia, że ​​szerokości ścieżek przetrwają proces produkcji.