Допустимый ток на печатной плате: ширина, толщина медного слоя и соответствие стандарту IPC-2221.

Каждая медная дорожка представляет собой тонкий резистор, который нагревается при протекании тока. Правильно подобранный размер резистора гарантирует, что плата будет работать без перегрева годами; слишком маленький размер приведет к перегреву дорожки, старению ламината и возможному обрыву цепи, подобному перегоранию предохранителя. Это руководство отвечает на вопросы, которые действительно волнуют инженеров: сколько ампер пропускает дорожка, сколько составляет 1 унция меди в миллиметрах, когда следует переходить на более толстую медь, — и показывает, как компания Highleap Electronics преобразует эти данные в плату, которую она может надежно производить и собирать.

1. Какой ток в амперах может пропускать медная дорожка?

Единого максимального тока для дорожки не существует – пределом является допустимое повышение температуры. Для сравнения, дорожка шириной 1 мм (около 40 мил) в слое меди толщиной 1 унция на внешнем слое пропускает примерно 2 А при умеренном повышении температуры на 10°C и около 4 А при повышении на 30°C. Ток нагревает дорожку пропорционально квадрату тока, умноженному на сопротивление, и дорожка оседает там, где может отводить это тепло в окружающую медь, ламинат и воздух.

Сопротивление и, следовательно, нагрев определяются тремя параметрами дорожек. Преобладает площадь поперечного сечения – ширина, умноженная на толщину медного слоя; удвоение любого из этих параметров примерно вдвое уменьшает сопротивление. Длина пропорционально увеличивает сопротивление и падение напряжения, но практически не меняет пиковую температуру. Сопротивление меди возрастает примерно на 0.4% на °C, поэтому горячая дорожка имеет немного большее сопротивление, что приводит к дополнительному нагреву. Три фактора окружающей среды определяют, насколько легко отводится тепло: внешний или внутренний слой, температура внутри корпуса и наличие воздушного потока или радиатора. Если вы новичок в проектировании и выборе размеров дорожек печатных плат, основы проектирования дорожек печатных плат станут полезным вводным материалом перед расчетом параметров питания.

2. Какова толщина 1 унции меди в мм? (таблица веса меди)

1 унция меди составляет примерно 35 микрон, что равно 0.035 мм или приблизительно 1.37 мил. Толщина меди указывается в пересчете на квадратный фут — это устаревшая методика, которая сбивает с толку новичков, поэтому стоит запомнить следующие коэффициенты пересчета:

Поскольку удельная емкость зависит от площади поперечного сечения, больший ток можно пропустить либо за счет расширения дорожки, либо за счет использования более толстой меди. На плотной плате переход на медный слой толщиной 3 унции часто оказывается более аккуратным, чем выделение места для очень широкой дорожки, а для работы с высокими нагрузками специально разрабатываются полноразмерные печатные платы с толстым медным слоем .

3. График зависимости ширины дорожки от тока (1 унция и 2 унции меди)

Для 1 унции меди на внешнем слое при консервативном повышении температуры на 10°C, для дорожки на 1 А требуется примерно 0.5 мм (20 мил), а для дорожки на 3 А — примерно 1.8 мм (70 мил). Приведенная ниже таблица является отправной точкой, основанной на стандарте IPC-2221, и не заменяет расчеты относительно вашей собственной целевой температуры; для дорожек внутреннего слоя обычно требуется примерно вдвое большая ширина.

Ширина быстро увеличивается с ростом тока. При токе более нескольких ампер использование одной дорожки становится нецелесообразным, и лучшим решением становится заливка медью или плоская структура, параллельные дорожки на нескольких слоях, соединенные переходными отверстиями, или более толстый слой меди — именно здесь на помощь приходит специальная технология с использованием толстой меди для обеспечения высокой токовой нагрузки и охлаждения сильноточных шин.

4. Ширина внутренних и внешних дорожек: почему внутренние дорожки должны быть шире.

Для пропускания того же тока внутренняя дорожка должна быть примерно вдвое шире внешней, поскольку она заключена в ламинат и не может отводить тепло в воздух. В стандарте IPC-2221 для этих двух случаев используются разные константы именно по этой причине: внешняя дорожка охлаждается конвекцией в воздух, в то время как внутренняя дорожка теплоизолирована и накапливает больше тепла при той же ширине.

Практическое следствие: ширина, проверенная для внешнего слоя, может незаметно перегреваться, если та же самая цепь проложена на внутреннем слое многослойной платы. При передаче питания между слоями учитывайте особенности внутреннего слоя и используйте несколько переходных отверстий параллельно на каждом переходе, чтобы смена слоев не стала причиной перегрева.