Калькулятор ширины дорожки печатной платы

Этот калькулятор ширины дорожки печатной платы использует стандарт IPC-2221 для определения минимальной ширины дорожки, необходимой для заданного тока, повышения температуры и толщины меди. Это важно для проектирования надежных печатных плат, способных выдерживать необходимую мощность без перегрева или выхода из строя.

Что такое IPC-2221?

IPC-2221 — это отраслевой стандарт под названием «Общий стандарт на проектирование печатных плат», опубликованный Ассоциацией производителей электроники (IPC). Он содержит подробные рекомендации по проектированию печатных плат, включая формулы для расчета минимальной ширины дорожки, необходимой для пропускания определенного тока.

Стандарт определяет взаимосвязь между нагрузочной способностью по току и геометрией дорожки с помощью эмпирически выведенных формул, основанных на обширных испытаниях.

Формула ширины дорожки по IPC-2221

Расчет включает в себя два основных этапа:

Шаг 1: Расчет площади поперечного сечения

Где:

• A = Площадь поперечного сечения в мил² (квадратных милах)
• I = Ток в амперах
• k = Константа слоя (0.048 для внешних, 0.024 для внутренних)
• ΔT = Повышение температуры выше окружающей среды в °C
• b = 0.44 (константа экспоненты)
• c = 0.725 (константа экспоненты)

Шаг 2: Расчет ширины дорожки

Где:

• W = Ширина дорожки в милах
• A = Площадь поперечного сечения из шага 1
• T = Толщина меди в милах

Внешние и внутренние слои

Стандарт IPC-2221 различает внешние (наружные) и внутренние слои, так как они имеют разные характеристики теплоотвода:

• Внешние слои: Контактируют с воздухом, что обеспечивает лучший отвод тепла за счет конвекции. Используется k = 0.048.
• Внутренние слои: Окружены подложкой FR4, имеющей плохую теплопроводность. Используется k = 0.024 (вдвое меньше внешнего).

Это означает, что дорожки внутренних слоев обычно должны быть примерно в два раза шире дорожек внешних слоев при той же токовой нагрузке.

Справочник по весу меди

Рекомендации по повышению температуры

Выбор подходящего повышения температуры зависит от вашего применения:

• Подъем на 10°C: Консервативный выбор для ответственных применений, военной/аэрокосмической техники и плат с термочувствительными компонентами поблизости.
• Подъем на 20°C: Обычный для общих коммерческих приложений с адекватной вентиляцией.
• Подъем на 30°C: Допустим для промышленных приложений с хорошим теплоотводом.
• Подъем на 40°C+: Только для приложений с крайне ограниченным пространством и ожидаемыми кратковременными скачками тока.

Важно: Повышение температуры считается относительно температуры окружающей среды. Если ваше устройство работает в среде 40°C с допуском повышения на 20°C, дорожка может достичь 60°C.

Сопротивление и падение напряжения

Для приложений, чувствительных к мощности, сопротивление дорожки и падение напряжения являются критическими факторами:

Где:

• R = Сопротивление в омах
• ρ = Удельное сопротивление меди (1.7 × 10⁻⁸ Ом·м при 20°C)
• L = Длина дорожки
• A = Площадь поперечного сечения

Падение напряжения на дорожке составит:

А мощность, рассеиваемая в виде тепла:

Рекомендации по проектированию

Запасы прочности

• Добавляйте 20–50% запаса прочности к рассчитанной ширине на случай производственных отклонений.
• Учитывайте производственные допуски толщины меди (обычно ±10%).
• Рассчитывайте на пиковые токи и переходные процессы, а не только на установившийся ток.

Тепловые аспекты

• Используйте тепловые переходы (vias) для распределения тепла на другие слои или земляные полигоны.
• Избегайте прокладки сильноточных дорожек рядом с термочувствительными компонентами.
• Используйте медные заливки для дополнительного рассеивания тепла.

Высокочастотные аспекты

• Более широкие дорожки имеют меньшую индуктивность, что полезно для цепей питания.
• Для линий с контролируемым импедансом ширина дорожки напрямую влияет на сопротивление.
• Учитывайте скин-эффект для частот выше 100 МГц.

Часто задаваемые вопросы

Что такое стандарт IPC-2221 для ширины дорожек печатных плат?

IPC-2221 — это отраслевой стандарт, содержащий рекомендации по проектированию печатных плат, включая формулы для расчета минимальной ширины дорожки, необходимой для пропускания определенного тока без превышения заданного перепада температуры. Формула учитывает ток, допустимое повышение температуры, толщину меди и тип слоя (внешний или внутренний).

Почему для внутренних слоев требуются более широкие дорожки, чем для внешних?

Внутренние слои имеют менее эффективный отвод тепла, так как они окружены материалом подложки FR4, а не воздухом. Внешние слои более эффективно отдают тепло в окружающий воздух, поэтому они могут выдерживать тот же ток при меньшей ширине. Формула IPC-2221 использует разные константы (k=0.048 для внешних, k=0.024 для внутренних), чтобы учесть эту разницу.

Какой подъем температуры следует использовать для расчетов дорожек печатных плат?

Типичные значения повышения температуры составляют 10°C, 20°C или 30°C выше температуры окружающей среды. Подъем на 10°C является консервативным и рекомендуется для критически важных применений. Более высокие значения позволяют использовать более узкие дорожки, но могут повлиять на соседние компоненты или снизить надежность. При выборе учитывайте рабочую температуру среды и тепловые пределы компонентов.

Как вес меди влияет на ширину дорожки?

Больший вес меди (унции на квадратный фут) означает более толстые дорожки, которые могут проводить больший ток при той же ширине. Стандартная медь весом 1 унция имеет толщину 35 мкм (1.38 мил). Использование меди в 2 унции удваивает толщину, что позволяет примерно вдвое уменьшить ширину при той же токовой нагрузке.

Дополнительные ресурсы

• Печатная плата — Википедия
• Стандарт IPC-2221 — IPC.org
• Свойства медных проводников — Википедия