Калькулятор струму друкованої плати: Визначення ширини доріжок та перехідних отворів за формулою IPC-2221

Калькулятор струму на друкованій платі перетворює оманливо просте питання — «якої ширини має бути ця доріжка?» — на число, яке ви можете спроектувати. Якщо ви зробите менший розмір доріжки живлення, вона перегріється, втрачатиме напругу та зрештою може вийти з ладу; якщо ви зробите більше, ви втратите місце на платі, якого може не бути. У цьому посібнику пояснюється математика IPC-2221, яку використовує кожен калькулятор струму ширини доріжки на друкованій платі, показано повний робочий приклад, який ви можете відтворити вручну, і поширюється на перехідні отвори. Така ж математика лежить в основі кожного пов'язаного інструменту — калькулятора струму доріжки на друкованій платі, калькулятора струму перехідного отвору, калькулятора струму перехідного отвору на друкованій платі — і стоїть за повсякденним питанням про те, яка ширина доріжки потрібна для заданого струму.

Далі описано, як наші інженери DFM у Highleap Electronics перевіряють струмопровідну мідь на предмет її пошкодження, перш ніж плата потрапляє на виробництво.

1. Що робить калькулятор струму на друкованій платі та чому важлива ширина доріжки

Калькулятор струму на друкованій платі пов'язує чотири величини: струм, який проходить через доріжку, площу поперечного перерізу міді, підвищення температури, яке створює струм, і чи знаходиться доріжка на зовнішньому чи внутрішньому шарі. Зафіксуйте будь-які три, і калькулятор знайде четверту величину. На практиці розробники використовують його двома способами: для знаходження максимально безпечного струму для доріжки, яку вони вже накреслили, або для знаходження мінімальної ширини для струму, який їм потрібно забезпечити.

Фізика проста: мідь має опір, струм через опір генерує тепло (I²R), і це тепло підвищує температуру доріжки, доки вона не досягне рівноваги з навколишнім середовищем. Ширша або товстіша доріжка має більше міді, менший опір і більшу площу поверхні для відведення тепла, тому вона проводить більший струм при тому ж підвищенні температури.

Чому це проблема надійності

Перегріта доріжка не просто нагрівається. Тривала висока температура прискорює окислення міді, руйнує ламінат навколо неї, ще більше підвищує опір у пошкодженому контурі зворотного зв'язку, а на платах живлення може призвести до підняття контактних контактів або повного розмикання доріжки. Правильний вибір розміру струмопровідної міді є однією з найдешевших інвестицій у надійність конструкції.

Чому підвищення температури є вибором дизайну

Не існує єдиного «номінального» струму для доріжки — лише струм для прийнятного підвищення температури. Підвищення на 10 °C є консервативним і поширеним значенням; 20 °C широко використовується; вищі підвищення температури забезпечують більший струм у меншій кількості міді за рахунок запасу. Вибір допустимого ΔT — це перше рішення, яке приймається до того, як будь-який калькулятор дасть змістовну відповідь.

2. Формула IPC-2221, що лежить в основі кожного калькулятора ширини доріжки

Майже кожен онлайн-калькулятор струму друкованої плати реалізує те саме емпіричне рівняння з IPC-2221, отримане з кривих нагріву реальних доріжок.

Тут I – сила струму в амперах, ΔT – допустиме підвищення температури в °C, а A – площа поперечного перерізу доріжки в квадратних мілах . Константа k відображає умови охолодження: вона становить 0.048 для зовнішніх доріжок, які піддаються впливу повітря та добре охолоджуються, та 0.024 для внутрішніх доріжок, які закопані в ламінат без конвективного охолодження.

Перетворення ваги міді на товщину

Площа поперечного перерізу дорівнює ширині, помноженій на товщину, а товщина визначається вагою міді. Одна унція міді, розкидана по квадратному футу, має товщину 1.37 міл (близько 35 мкм). Отже, слід 1 унція, що має ширину 50 міл, має поперечний переріз 50 × 1.37 = 68.5 міл². Подвоєння кількості міді до 2 унцій подвоює товщину до 2.74 міл і, отже, подвоює площу при тій самій ширині.

МПК-2221 проти МПК-2152

IPC-2221 – це класичний, консервативний стандарт, який використовують більшість швидких калькуляторів. Новіший IPC-2152 враховує додаткові фактори – товщину плати, наявність мідних площин та теплове середовище – і зазвичай дозволяє вужчі траєкторії або прогнозує нижчі температури, оскільки він реалістичніше моделює розподіл тепла. Для жорстких схем живлення IPC-2152 вартий додаткової ретельності; для щоденного підбору розмірів IPC-2221 забезпечує безпечну відправну точку.

3. Як розрахувати ширину сліду крок за кроком (розроблений приклад)

Одноразове використання формули вручну робить кожен результат калькулятора інтуїтивно зрозумілим. Припустимо, вам потрібна зовнішня доріжка для передачі струму 5 А з підвищенням напруги на 10 °C на платі вагою 1 унція.

Крок 1 — Перегрупуйте формулу для площі

Розв'яжіть формулу I = k × ΔT ^0.44 × A ^0.725 для A:

Крок 2 — Введіть значення

При k = 0.048 (зовнішнє) та ΔT = 10: ΔT ^0.44 = 10 ^0.44 ≈ 2.75. Отже, k × ΔT ^0.44 = 0.048 × 2.75 ≈ 0.132. Тоді I ÷ 0.132 = 5 ÷ 0.132 ≈ 37.9.

Крок 3 — Розв’яжіть задачу для площі

Зведемо 37.9 у степеня (1 ÷ 0.725 ≈ 1.379): A ≈ 37.9 ^1.379 ≈ 150 міл².

Крок 4 — Перетворення площі на ширину

Поділіть на товщину 1 унції, що дорівнює 1.37 міл: ширина = 150 ÷ ​​1.37 ≈ 110 міл (близько 2.8 мм). Це мінімальна зовнішня ширина для 5 А при підвищенні температури на 10 °C.

Крок 5 — Перевірка корпусу внутрішнього шару

Якщо та сама доріжка проходила по внутрішньому шару, k зменшується до 0.024 — половини значення. Через показник степеня 0.725, зменшення k вдвічі не просто подвоює площу: воно збільшує її приблизно в 2.6× (2 × ^1.379 ). Отже, ті ж 5 А при підвищенні температури на 10 °C тепер потребують приблизно 390 міл² , що приблизно 285 міл завширшки. Ось чому прокладання живлення зберігається на зовнішніх шарах або використовується важча мідь, коли воно має проходити всередині.

Це числа першого порядку; збільшення допустимого ΔT або ваги міді швидко зменшує ширину, що є саме тим торговим простором, який дозволяє дослідити калькулятор.

4. Струмова ємність переходних отворів: визначення розміру та зшивання переходних отворів

Доріжки – це лише половина історії. Силова мережа зазвичай має змінювати шари, і занадто малий перехідний отвір стає найгарячішою та найомотивішою точкою на шляху.

Як оцінюється поточна пропускна здатність через

Гальванізований перехідний отвір поводиться як короткий згорнутий слід: його струмова ємність залежить від мідного поперечного перерізу його ствола, який визначається діаметром готового отвору та товщиною покриття. Поширений інженерний підхід полягає в тому, щоб розглядати розгорнутий ствол (довжина кола покриття, помножена на його товщину) як еквівалентний поперечний переріз сліду та застосовувати ті ж міркування в стилі IPC, а потім додати запас, оскільки перехідні отвори охолоджуються менш ефективно, ніж поверхнева мідь.

Паралельне зшивання переходних отворів

Замість того, щоб покладатися на один великий перехідний отвір, розробники пропускають високий струм через кілька паралельно з'єднаних перехідних отворів («зшивання перехідних отворів»). Кілька перехідних отворів розподіляють струм, знижують сумарний опір і розподіляють тепло, що набагато надійніше, ніж один отвір. Корисна звичка — планувати консервативний струм на кожен перехідний отвір і додавати достатню кількість перехідних отворів, щоб покрити мережу з запасом.

Коли Highleap перевіряє схему живлення, ми підтверджуємо, що кількість перехідних отворів та покриття підтримують чистий струм — ті ж міркування про зшивання перехідних отворів, описані вище, — що шари важкої міді є технологічними, і що стек фактично забезпечує поперечний переріз, який припустив калькулятор.

5. Поширені помилки розрахунку струму друкованої плати та кращі практики

Формула надійна; саме вхідні дані є причиною помилок у проектуванні.

• Використання зовнішнього k на внутрішньому сліді. Якщо забути перейти з 0.048 на 0.024, внутрішня ємність буде завищена приблизно вдвічі.
• Припускаючи, що кількість готової міді дорівнює кількості базової міді. Покриття додає товщини зовнішнім шарам; внутрішні шари залишаються близькими до номінальної. Використовуйте реалістичну кінцеву товщину.
• Ігнорування навколишнього тепла та тепла поблизу. ΔT – це підвищення порівняно з локальним середовищем, яке вже може бути підвищене навколишніми компонентами.
• Забуття про перехідний отвір у мережі живлення зі зміною шарів. Правильно підібрана траса, що живить перехідний отвір малого розміру, просто переміщує гарячу точку до перехідного отвору.
• Розмір лише для постійного струму. Пускові струми, струми короткого замикання та імпульсні струми можуть перевищувати усталене значення та потребувати окремої стратегії перевірки або використання запобіжників.
• Розглядаючи IPC-2221 як точний. Він консервативний та базується на діаграмах; для конструкцій з граничною потужністю перевірте за допомогою IPC-2152 або теплових випробувань.

Кращою практикою є спочатку визначити допустиме підвищення температури, використовувати реалістичну товщину готової міді, залишати сильний струм на зовнішніх шарах або вказувати важчу мідь, розміри переходних отворів так само ретельно, як і доріжок, і додати запас на перехідні струми. Потім переконайтеся у виробника, що вибране стекування та вага міді дійсно придатні для нарощування, перш ніж надсилати макет.

6. Коли цифри вказують на важку мідь

Розрахунок струму корисний лише тоді, коли плату можна зібрати відповідно до нього, а для реальних потужних конструкцій відповідь, яку дає формула, часто вказує на значення, що перевищує стандартну 1 унцію міді. Перенесення десятків ампер без значного підвищення температури зазвичай означає 2, 3 або 6+ унцій міді, більшу відстань між важкими доріжками та відповідне покриття структури переходів. Це параметри виготовлення, тому їх варто перевірити як придатні для збірки, перш ніж буде заблоковано макет.

Highleap виготовляє друковані плати зі стандартних 1 унції (28 г ) на основі товстої міді , і ми перевіримо ширину ваших доріжок, вагу міді та кількість переходів у порівнянні з реальною струмонесучою здатністю, яку може забезпечити конструкція, і позначимо, де IPC-2152 дозволить вам її зменшити. Надішліть свої струми, цільове підвищення температури та схему нарощування, і ми підтвердимо, що мідь придатна для виробництва.

Вартість вашої друкованої плати високого струму

7. Часті питання

Яку формулу використовує калькулятор струму на друкованій платі?

Більшість використовує рівняння IPC-2221: I = k × ΔT ^0.44 × A ^0.725 , де I – сила струму в амперах, ΔT – допустиме підвищення температури в °C, A – площа поперечного перерізу в міл², а k дорівнює 0.048 для зовнішніх доріжок або 0.024 для внутрішніх доріжок. Новіший стандарт IPC-2152 уточнює це за допомогою коефіцієнтів плати та температури.

Чому внутрішні сліди мають бути ширшими за зовнішні?

Внутрішні доріжки закопані в ламінат без повітряного охолодження, тому вони відводять тепло набагато менш ефективно. У формулі IPC-2221 їхня константа k вдвічі менша, ніж у зовнішніх доріжок (0.024 проти 0.048), а через показник степеня 0.725, зменшена вдвічі k означає, що для того ж струму та підвищення температури потрібна приблизно в 2.6 раза більша площа поперечного перерізу.

Як вага міді впливає на струмову пропускну здатність?

Мідна вага визначає товщину доріжки — 1 унція дорівнює приблизно 1.37 міл завтовшки — а товщина множиться на ширину, щоб отримати площу поперечного перерізу. Подвоєння мідної ваги з 1 унції до 2 унцій подвоює площу при тій самій ширині, тому доріжка проводить значно більший струм при тому ж підвищенні температури.

На яке підвищення температури слід розраховувати?

Підвищення температури на 10 °C є консервативним, поширеним вибором, а 20 °C використовується широко. Правильне значення залежить від температурного режиму вашого ламінату, температури навколишнього середовища всередині корпусу та бажаного запасу. Пам’ятайте, що підвищення температури додається до місцевої температури навколишнього середовища, а не до кімнатної.

Як мені визначити розмір переходного отвору для високого струму?

Розглядайте гальванізований ствол як короткий дротяний провідник, поперечний переріз міді якого залежить від діаметра отвору та товщини покриття, а потім додайте запас, оскільки перехідні отвори погано охолоджуються. Для реальних силових мереж використовуйте кілька перехідних отворів паралельно (через зшивання), щоб вони розподіляли струм і тепло, а не покладалися на один великий отвір.

Що краще: IPC-2221 чи IPC-2152?

IPC-2221 простіший та консервативний, що робить його безпечним стандартом для швидкого визначення розміру. IPC-2152 є точнішим, оскільки враховує товщину плати, мідні площини та теплове середовище, і часто дозволяє використовувати вужчі доріжки. Для щільних або потужних конструкцій варто провести перевірку за допомогою IPC-2152 або провести теплові випробування.