เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจร PCB: วิธีกำหนดขนาดลายวงจรให้เหมาะสมกับกระแสไฟฟ้า แรงดันตก และอิมพีแดนซ์

ความกว้างของลายวงจรดูเหมือนจะง่าย แต่ก็ผิดพลาดได้ง่ายเช่นกัน: ถ้าแคบเกินไป ลายวงจรไฟฟ้าจะร้อนเกินไปหรือแรงดันตกมากเกินไป; ถ้ากว้างเกินไปก็จะเปลืองพื้นที่หรือทำให้ค่าความต้านทานผิดปกติ เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจรจะให้ค่าเริ่มต้นที่เหมาะสม แต่การรู้ว่าจะป้อนข้อมูลอะไรเข้าไปต่างหากที่จะทำให้แผงวงจรมีความน่าเชื่อถือแตกต่างจากแผงวงจรที่ล้มเหลวภายใต้ภาระงาน คู่มือนี้จะตอบคำถามที่แท้จริง – ความกว้างเท่าใดสำหรับกระแสไฟฟ้าที่กำหนด วงจรภายในหรือภายนอก วิธีการกำหนดขนาดลายวงจร 50 โอห์ม – และแสดงให้เห็นว่า Highleap Electronics มั่นใจได้อย่างไรว่าความกว้างนั้นสามารถใช้งานได้จริงในกระบวนการผลิต

1. เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจรพิมพ์ (PCB) ทำงานอย่างไร?

เครื่องคำนวณความกว้างของลายวงจร PCB ใช้สูตร IPC-2221 ในการคำนวณย้อนกลับจากกระแสไฟฟ้า อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นที่อนุญาต น้ำหนักของทองแดง และชั้นของแผ่นวงจร เพื่อหาความกว้างของลายวงจรขั้นต่ำ กระแสไฟฟ้าเป็นปัจจัยนำเข้าหลัก – พื้นที่ที่ต้องการจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามกระแสไฟฟ้า – ในขณะที่อุณหภูมิที่เพิ่มขึ้นมีผลกระทบน้อยกว่ามาก ดังนั้นการพยายามเพิ่มอุณหภูมิที่อนุญาตจึงไม่ได้เพิ่มความจุมากนัก ปัจจัยนำเข้า:

• ปัจจุบัน – กระแสไฟฟ้าสูงสุดต่อเนื่องที่วงจรสามารถรับได้
• อุณหภูมิที่อนุญาตให้เพิ่มขึ้น – 10°C เป็นเป้าหมายที่ค่อนข้างระมัดระวัง โดยทั่วไปมักแสดงค่า 30°C ในตัวอย่าง การเพิ่มขึ้นที่ต่ำกว่าหมายถึงกราฟที่กว้างกว่า
• น้ำหนักทองแดง – โดยทั่วไปจะมีน้ำหนัก 1 หรือ 2 ออนซ์ ทองแดงที่มีน้ำหนักมากกว่าจะนำกระแสไฟฟ้าได้เท่ากันในความกว้างที่น้อยกว่า
• ชั้น (ชั้นนอกหรือชั้นใน) – ร่องภายในจำเป็นต้องมีความกว้างประมาณสองเท่าสำหรับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน

ข้อควรระวังสองประการในการตีความช่วยป้องกันความผิดพลาด: สูตรนี้อิงตามข้อมูลการทดสอบบนแผ่นวงจรเปล่า และให้ค่าที่มองในแง่ดีสำหรับแผ่นวงจรจริงที่มีความหนาแน่นสูง ดังนั้นควรเผื่อระยะไว้สำหรับเส้นทางจ่ายไฟต่อเนื่อง และผลลัพธ์ที่ได้คือค่าต่ำสุด ไม่ใช่ค่าเป้าหมาย – การใช้แผ่นวงจรที่กว้างเกินไปมักไม่ก่อให้เกิดอันตราย แต่การใช้แผ่นวงจรที่แคบเกินไปจะก่อให้เกิดอันตรายอย่างแท้จริง เมื่อความกว้างที่ต้องการไม่สามารถทำได้จริง การเปลี่ยนไปใช้แผ่นวงจรพิมพ์ทองแดงหนา ขึ้น มักจะให้ผลลัพธ์ที่สะอาดกว่า หลักการพื้นฐานเกี่ยวกับการนำกระแสไฟฟ้าของแผ่นวงจรพิมพ์อยู่ใน เอกสาร เบื้องต้น เกี่ยว กับแผ่นวงจรพิมพ์ นี้

2. ฉันต้องการความกว้างของลายวงจรเท่าใดสำหรับกระแสไฟฟ้า 1, 3 หรือ 5 แอมป์?

สำหรับทองแดง 1 ออนซ์บนชั้นนอกสุด ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C อย่างระมัดระวัง กระแสไฟฟ้า 1 A ต้องการความหนาประมาณ 0.5 มม. (20 มิล) กระแสไฟฟ้า 3 A ต้องการประมาณ 1.8 มม. (70 มิล) และกระแสไฟฟ้า 5 A ต้องการประมาณ 3.3 มม. (130 มิล) แผนภูมิทั้งหมดเป็นเพียงจุดเริ่มต้นตามมาตรฐาน IPC-2221 ไม่ใช่สิ่งที่จะใช้แทนการคำนวณตามอุณหภูมิเป้าหมายของคุณเอง สำหรับลายวงจรชั้นในสุด ความหนาจะต้องการประมาณสองเท่า:

ความกว้างของวงจรจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วเมื่อกระแสไฟฟ้าเพิ่มขึ้น เมื่อกระแสไฟฟ้าเกินไม่กี่แอมป์ การใช้ลายวงจรเดี่ยวจะไม่เหมาะสมอีกต่อไป และการใช้ทองแดงหล่อ ทองแดงแผ่น หรือทองแดงที่หนากว่าจะเป็นคำตอบที่ถูกต้อง – รางนำไฟฟ้ากระแสสูงไม่ควรอยู่บนลายวงจรบางๆ ซึ่งเป็นเหตุผลที่ต้องใช้เทคโนโลยีการออกแบบทางวิศวกรรมเฉพาะด้านที่รองรับกระแสไฟฟ้าสูงด้วยทองแดงหนาเพื่อช่วยระบายความร้อน

3. ความกว้างของลายวงจรภายในเทียบกับภายนอก: เหตุใดลายวงจรภายในจึงกว้างกว่า

ลายวงจรภายในต้องการความกว้างประมาณสองเท่าของลายวงจรภายนอกเพื่อรองรับกระแสไฟฟ้าเท่ากัน เนื่องจากถูกประกบด้วยแผ่นลามิเนตและไม่สามารถระบายความร้อนออกสู่อากาศได้ มาตรฐาน IPC-2221 จึงใช้ค่าคงที่ที่แตกต่างกันสำหรับทั้งสองกรณีด้วยเหตุผลนี้ – ลายวงจรภายนอกระบายความร้อนด้วยการพาความร้อนออกสู่อากาศ ในขณะที่ลายวงจรภายในเป็นฉนวนความร้อนและเก็บความร้อนได้มากกว่าในความกว้างที่เท่ากัน

ผลที่ตามมาในทางปฏิบัติคือ ความกว้างที่ได้รับการตรวจสอบแล้วสำหรับชั้นนอกสุด อาจทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไปโดยไม่รู้ตัว หากมีการเดินสายสัญญาณเดียวกันบนชั้นในของแผงวงจรหลายชั้น เมื่อคุณย้ายพลังงานระหว่างชั้น ควรออกแบบขนาดให้เหมาะสมกับกรณีของชั้นใน และใช้ vias หลายตัวขนานกันที่จุดเปลี่ยนแต่ละจุด เพื่อป้องกันไม่ให้การเปลี่ยนชั้นกลายเป็นจุดคอขวดที่ก่อให้เกิดความร้อนสูง

4. วิธีการกำหนดขนาดของวงจรควบคุมความต้านทาน 50 โอห์ม

ควรกำหนดขนาดของเส้นทาง 50 โอห์มจากโครงสร้างชั้นของตัวนำ ไม่ใช่จากเครื่องคำนวณกระแสไฟฟ้า: ความกว้างของเส้นทางขึ้นอยู่กับความหนาของฉนวนใต้เส้นทาง น้ำหนักของทองแดง และค่าคงที่ไดอิเล็กตริกของแผ่นลามิเนต สัญญาณความเร็วสูงและสัญญาณ RF จะถูกกำหนดขนาดตามค่าอิมพีแดนซ์ – โดยทั่วไปคือ 50 โอห์มแบบซิงเกิลเอนด์ หรือแบบดิฟเฟอเรนเชียลคู่ที่ค่าเป้าหมายเช่น 90 หรือ 100 โอห์ม – และความกว้างที่คำนวณจากกระแสไฟฟ้านั้นใช้ไม่ได้ผล

ผลที่ตามมามีสองประการ ประการแรก คุณไม่สามารถเลือกความกว้างของเส้นทางควบคุมอิมพีแดนซ์ได้โดยลำพัง เพราะมันถูกกำหนดไว้กับโครงสร้างชั้นของวงจร ดังนั้นโครงสร้างชั้นของวงจรความเร็วสูงจึงต้องถูกกำหนดก่อนที่จะกำหนดรูปทรงของเส้นทาง ประการที่สอง ผู้ผลิตต้องสร้างรูปทรงนั้นอย่างแม่นยำเพื่อให้ค่าอิมพีแดนซ์ออกมาถูกต้อง ซึ่งหมายความว่าเส้นทางควบคุมอิมพีแดนซ์ควรได้รับการตกลงกับผู้ผลิตแผงวงจร โดยใช้กระบวนการควบคุมอิมพีแดนซ์ ที่เหมาะสม

5. ข้อผิดพลาดทั่วไปเกี่ยวกับความกว้างของลายวงจรพิมพ์ (PCB)

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อยที่สุดเกี่ยวกับการกำหนดความกว้างของเส้นทางสัญญาณ ได้แก่ การใช้ความกว้างเริ่มต้นเดียวกันสำหรับทุกอย่าง การละเลยค่าปรับลดในชั้นภายใน การลืมเรื่องแรงดันตกคร่อม และการกำหนดขนาดเส้นทางสัญญาณตามกระแสแทนที่จะเป็นอิมพีแดนซ์ ซึ่งแต่ละข้อผิดพลาดนั้นแก้ไขได้ง่ายๆ ดังนี้:

• ความกว้างมาตรฐานเดียวสำหรับทุกอย่าง – เหมาะสำหรับสัญญาณ แต่แคบเกินไปจนเป็นอันตรายสำหรับกำลังไฟฟ้า ขนาดของวงจรไฟฟ้าให้เหมาะสมกับกระแสไฟฟ้าที่ไหลผ่าน
• ไม่สนใจบทลงโทษในชั้นใน – ความกว้างด้านนอกที่เพียงพออาจทำให้ชั้นในร้อนเกินไป ซึ่งจำเป็นต้องมีความกว้างเป็นสองเท่าโดยประมาณ
• ลืมเรื่องแรงดันตกคร่อมไป – แม้แต่แผ่นวงจรที่เย็นเกินไปก็ยังสามารถทำให้เกิดแรงดันตกมากเกินไปในรางแรงดันต่ำกระแสสูงได้ ขนาดที่เหมาะสมทั้งในด้านความร้อนและการลดแรงดัน เป็นส่วนสำคัญของการออกแบบที่ดี การจัดการความร้อน.
• การกำหนดขนาดร่องรอยสัญญาณสำหรับกระแสไฟฟ้า – วงจรความเร็วสูงต้องการความกว้างที่อิงตามอิมพีแดนซ์ซึ่งเชื่อมโยงกับโครงสร้างชั้นของวัสดุ ไม่ใช่ความกว้างตามกระแสไฟฟ้าตามมาตรฐาน IPC-2221
• การระบุความกว้างที่ละเอียดกว่าที่กระบวนการสามารถสร้างได้ – ตรวจสอบความกว้างและระยะห่างขั้นต่ำกับผู้ผลิตอีกครั้ง

6. ความกว้างของลายวงจรจะคงสภาพเดิมหลังการผลิตหรือไม่?

ความกว้างที่คุณวาดไว้อาจไม่ตรงกับความกว้างที่ได้จริง เพราะกระบวนการกัดกรดจะกำจัดทองแดงออกไปเล็กน้อยจากด้านข้างของทุกเส้นลวด ทำให้เส้นลวดที่เสร็จแล้วแคบกว่าที่ออกแบบไว้เล็กน้อย และการใช้ทองแดงที่หนาขึ้นจะทำให้ค่าความคลาดเคลื่อนนั้นกว้างขึ้น สำหรับเส้นลวดจ่ายไฟที่แคบ การที่ค่าความกว้างแคบลงจะส่งผลต่อความสามารถในการรับกระแสไฟฟ้าและแรงดันตกคร่อมไปในทิศทางที่ไม่ถูกต้อง ส่วนสำหรับเส้นลวดที่ควบคุมด้วยอิมพีแดนซ์ การที่ค่าอิมพีแดนซ์เปลี่ยนไปอาจทำให้ค่าอิมพีแดนซ์เปลี่ยนแปลงได้ เมื่อความกว้างมีความสำคัญไม่ว่าจะในทิศทางใดก็ตาม ควรยืนยันความตั้งใจในการออกแบบกับผู้ผลิต

การตรวจสอบการออกแบบเพื่อการผลิตก่อนการผลิตจะยืนยันว่าความกว้างและระยะห่างของลายวงจรอยู่ในขีดความสามารถของกระบวนการผลิต ลายวงจรไฟฟ้าตรงตามความต้องการด้านกระแสและแรงดันตกคร่อมหลังจากการกัดลาย และลายวงจรควบคุมอิมพีแดนซ์เข้ากันได้กับโครงสร้างที่สามารถผลิตได้ จากนั้น Highleap จะดำเนินการผลิตและประกอบแผงวงจรด้วยทองแดงหนาโดยมีตัวเลือกทองแดงหนาสำหรับงานออกแบบที่ใช้กระแสสูง และการประมวลผลและการทดสอบแบบควบคุมอิมพีแดนซ์สำหรับแผงวงจรความเร็วสูง เมื่อคุณขอใบเสนอราคา โปรดระบุน้ำหนักทองแดง กระแสสูงสุดบนลายวงจรไฟฟ้า รางใดๆ ที่ไวต่อแรงดันตกคร่อม และข้อกำหนดการควบคุมอิมพีแดนซ์พร้อมเป้าหมายและโครงสร้าง

อ้างอิงบอร์ดของฉัน

7. คำถามที่พบบ่อยเกี่ยวกับความกว้างของลายวงจรบนแผ่นวงจรพิมพ์ (PCB)

ต้องใช้ความกว้างของลายวงจรเท่าไหร่สำหรับกระแสไฟ 1 แอมป์?

สำหรับแผ่นทองแดงหนา 1 ออนซ์ บนชั้นนอกสุด ที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้น 10°C อย่างระมัดระวัง ความหนาโดยประมาณจะอยู่ที่ 0.5 มม. (ประมาณ 20 มิล) ส่วนแผ่นทองแดงหนา 2 ออนซ์ จะเหลือประมาณครึ่งหนึ่ง สำหรับลายวงจรภายใน จะต้องใช้ความหนาเพิ่มขึ้นประมาณสองเท่าสำหรับกระแสไฟฟ้าเท่าเดิม

เหตุใดร่องรอยภายในจึงต้องกว้างกว่าร่องรอยภายนอก?

ลายวงจรภายในถูกหุ้มด้วยแผ่นลามิเนตและไม่สามารถระบายความร้อนออกสู่อากาศได้ ดังนั้นจึงต้องใช้ความกว้างประมาณสองเท่าของลายวงจรภายนอกเพื่อให้สามารถส่งกระแสไฟฟ้าได้เท่ากันที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นเท่ากัน

ฉันจะกำหนดขนาดของลายวงจรโดยพิจารณาจากค่าอิมพีแดนซ์แทนกระแสไฟฟ้าได้อย่างไร?

ความกว้างที่ควบคุมด้วยอิมพีแดนซ์นั้นถูกกำหนดโดยความหนาของฉนวน น้ำหนักของทองแดง และค่าคงที่ไดอิเล็กทริกของวัสดุ ดังนั้นจึงสัมพันธ์กับโครงสร้างชั้นของตัวนำ ควรตัดสินใจเลือกโครงสร้างชั้นของตัวนำก่อน คำนวณตามโครงสร้างนั้น และยืนยันการสร้างกับผู้ผลิตของคุณ

ควรใช้ความกว้างเท่ากันสำหรับสายไฟและสายสัญญาณหรือไม่?

ไม่ครับ วงจรจ่ายไฟถูกออกแบบมาให้รองรับกระแสและแรงดันตกคร่อม และมักจะมีความกว้างมากกว่า ในขณะที่วงจรส่งสัญญาณถูกออกแบบมาให้รองรับการเดินสาย หรือสำหรับสายความเร็วสูง จะรองรับอิมพีแดนซ์ การกำหนดความกว้างมาตรฐานเดียวสำหรับทั้งสองประเภทเป็นสาเหตุหลักที่ทำให้เกิดความร้อนสูงเกินไป

Highleap สามารถผลิตแผงวงจรทองแดงหนาและแผงวงจรควบคุมความต้านทานได้หรือไม่?

ใช่แล้ว Highleap นำเสนอสายทองแดงหนาสำหรับงานออกแบบที่ใช้กระแสไฟฟ้าสูง และการประมวลผลและการทดสอบความต้านทานควบคุมสำหรับแผงวงจรความเร็วสูง พร้อมการตรวจสอบความสามารถในการผลิตเพื่อยืนยันว่าความกว้างของลายวงจรของคุณสามารถใช้งานได้ในกระบวนการผลิต