Струмова ємність друкованої плати: ширина, вага міді та IPC-2221

Кожна мідна доріжка — це тонкий резистор, який нагрівається, коли через неї протікає струм. Якщо правильно підібрати розмір, плата роками працюватиме холодно; якщо ж її підібрати коротко, доріжка перегріється, ламінат старіє та може розірватися, як запобіжник. Цей посібник відповідає на питання, які насправді шукають інженери: скільки ампер витримує доріжка, скільки міліметрів становить 1 унція міді, коли переходити на важку мідь – і показує, як Highleap Electronics перетворює ці цифри на плату, яку вона може надійно виготовляти та збирати.

1. Скільки ампер може витримувати мідний кабель?

Не існує єдиного максимального струму для доріжки – межа залежить від будь-якого підвищення температури, яке ви приймаєте. Для короткого порівняння, доріжка шириною 1 мм (близько 40 міл) у мідному сплаві вагою 1 унція на зовнішньому шарі проводить приблизно 2 А при консервативному підвищенні температури на 10°C та близько 4 А при підвищенні температури на 30°C. Струм нагріває доріжку пропорційно добутку квадрата струму на опір, і доріжка осідає там, де може віддавати це тепло навколишній міді, ламінату та повітрю.

Три властивості траєкторії визначають опір, а отже, і нагрівання. Площа поперечного перерізу – помножена на ширину та товщину міді – є домінантною; подвоєння будь-якої з цих властивостей приблизно вдвічі зменшує опір. Довжина додає пропорційний опір і падіння напруги, але майже не змінює пікову температуру. А опір міді зростає приблизно на 0.4% на °C, тому гаряча траєкторія – це траєкторія з трохи вищим опором, яка, у свою чергу, призводить до виділення більшої кількості тепла. Три фактори навколишнього середовища визначають, наскільки легко тепло відводиться: зовнішній шар проти внутрішнього, температура навколишнього середовища всередині корпусу та будь-який потік повітря або радіатор. Якщо ви новачок у побудові та специфікації траєкторій, основи проектування траєкторій на друкованих платах будуть корисним посібником перед визначенням розміру для живлення.

2. Яка товщина міді в мм вагою 1 унція? (таблиця ваги міді)

1 унція міді має товщину близько 35 мікронів, що становить 0.035 мм або приблизно 1.37 міл. Товщина міді вимірюється вагою на квадратний фут – стара умовність, яка ставить під сумнів новачків, – тому варто запам’ятати такі перетворення:

Оскільки площа поперечного перерізу доріжок залежить від ємності, ви можете передати більший струм, розширивши доріжку або замовивши товстішу мідь. На щільній платі збільшення товщини міді до 3 унцій часто є чистішим, ніж вирізання місця для дуже широкої доріжки, а для роботи з високою потужністю спеціально розроблена повністю важка мідна друкована плата .

3. Ширина смуги в порівнянні з діаграмою струму (мідь вагою 1 унція та 2 унції)

Для 1 унції міді на зовнішньому шарі при консервативному підвищенні температури на 10°C, для доріжки на 1 А потрібно приблизно 0.5 мм (20 міл), а для доріжки на 3 А — приблизно 1.8 мм (70 міл). Повна діаграма нижче є відправною точкою на основі IPC-2221, а не замінює розрахунку відносно вашої власної цільової температури; доріжки внутрішнього шару зазвичай потребують приблизно вдвічі більшої ширини.

Ширина швидко зростає зі струмом. Після кількох ампер використання однієї доріжки стає непрактичним, і кращим рішенням є заливка міді або площина, паралельні доріжки на кількох шарах, зшиті перехідними отворами, або важча мідь – саме там, де спеціалізована інженерія з розрахунок струму на важку мідь забезпечує охолодження високострумових рейок.

4. Ширина внутрішньої та зовнішньої траєкторії: чому внутрішні траєкторії повинні бути ширшими

Внутрішня доріжка повинна бути приблизно вдвічі ширшою за зовнішню, щоб передавати той самий струм, оскільки вона затиснута в ламінаті та не може віддавати тепло в повітря. IPC-2221 використовує різні константи для двох випадків саме з цієї причини – зовнішня доріжка охолоджується конвекцією в повітря, тоді як внутрішня доріжка теплоізольована та накопичує більше тепла при тій самій ширині.

Практичний наслідок: ширина, яку ви перевірили для зовнішнього шару, може непомітно перегрітися, якщо та сама мережа прокладається на внутрішньому шарі багатошарової плати. Коли ви переміщуєте живлення між шарами, враховуйте розмір корпусу внутрішнього шару та використовуйте кілька переходних отворів паралельно на кожному переході, щоб зміна шарів не стала вузьким місцем.