Почему важна ширина дорожек печатной платы? Расчёт ширины дорожек печатной платы — один из важнейших факторов при её разводке. Ширина сложных дорожек напрямую влияет на производительность , надёжность и безопасность схемы. Именно поэтому проектировщики печатных плат обращаются к профессиональным отраслевым стандартам для расчёта ширины дорожек. Среди них наиболее широко используются стандарты IPC. В этой статье мы расскажем вам, как рассчитать ширину дорожки печатной платы на основе двух основных стандартов IPC (IPC-2221 и IPC-2152), и поможем сделать выбор между ними.
Что такое стандарт IPC?
Стандарты IPC — это ряд общепризнанных отраслевых рекомендаций, разработанных Институтом печатных схем (IPC), глобальной отраслевой ассоциацией электронной промышленности. Эти стандарты используются при проектировании и производстве электронного оборудования и печатных плат для обеспечения качества, надежности и единообразия продукции. Соблюдение этих стандартов может сократить коммуникационный разрыв между разработчиками и производителями.
В области проектирования печатных плат стандарты IPC-2221 и IPC-2152 являются двумя основными типами стандартов, которые обеспечивают основу для проектирования надёжных и безопасных печатных плат. Они широко признаны в электронной промышленности и используются в качестве справочного материала проектировщиками и инженерами печатных плат.
Как рассчитать ширину дорожки печатной платы на основе использования IPC 2221?
Стандарт IPC 2221 — это отраслевое руководство по проектированию печатных плат общего назначения, помогающее разработчикам печатных плат быстро определять ширину проводника, необходимую для безопасной передачи тока. Стандарт IPC-2221 определяет зависимость тока от температуры с помощью формулы, которая позволяет рассчитать площадь поперечного сечения и ширину проводника.
Эмпирическая формула МПК 2221:
Переформулируем формулу, чтобы получить формулу площади поперечного сечения (А):
Ширина слоя A рассчитывается по формуле:
A = ширина дорожки (W) × толщина меди (T)
Итак, основная формула ширины следа (W) должна быть такой:
I = Ток в амперах
ΔT = Допустимое повышение температуры в °C
A = Площадь поперечного сечения следа (мил²)
k, b, c = константы, которые различаются для внутренних и внешних слоев
| Тип трассировки | к | б | с |
| Внешний | 0,048 | 0,44 | 0,725 |
| Внутренний | 0,024 | 0,44 | 0,725 |
Важно соблюдать единообразие единиц измерения. Если поперечное сечение измеряется в милах, то для ширины и толщины дорожки используйте милы. Толщина дорожки обычно измеряется её весом в унциях на квадратный фут (oz/ft²).
1 oz/ft² copper ≈ 1.37 mil ≈ 35 µm
1 mil = 0.0254 mm
Параметры сбора
Измерьте максимальный ток (I) , который может проводить дорожка. Более высокий ток требует более широких дорожек для предотвращения перегрева. Максимальный номинальный ток зависит от материала проводника (медь имеет меньшее удельное сопротивление, чем алюминий, что означает большую допустимую нагрузку по току), поперечного сечения (более толстый проводник означает меньшее сопротивление и большую допустимую нагрузку по току), условий охлаждения (уменьшают повышение температуры) и других ключевых факторов.
ΔT — это допустимое превышение температуры над окружающей средой, которое помогает установить безопасный предел. Повышение температуры бетона зависит от множества факторов, включая особые требования к применению, наличие следов, наличие открытой или закрытой среды, а также толщину меди. Типичный диапазон ΔT составляет от 10 ℃ до 40 ℃, в зависимости от конкретных требований. 10 ℃ — наиболее распространённое значение для печатных плат общего назначения.
Толщина меди напрямую влияет на сопротивление проводника и допустимую нагрузку по току. Согласно формуле R=ρL/A (ρ = удельное сопротивление меди = 1,68×10−8 Ом⋅м = 1,68×10−8 Ом⋅м), L = длина проводника, A (площадь поперечного сечения = ширина × толщина), чем толще медь, тем ниже сопротивление и выше допустимая нагрузка по току. Обычные веса меди для печатных плат составляют 0,5 унции, 1 унцию, 2 унции, 3 унции и более.
Реалистичный пример
При выборе следующих параметров для калькулятора IPC-2221:
Ток(I): 2А
Повышение температуры (ΔT): 10℃
Толщина меди (T): 1 oz (1,37 mil)
Слой трассировки: Внешний
Площадь поперечного сечения :
Ширина дорожки :
W= 150mil²/1.37mils≈110 mils(≈2.8mm)
В данном случае формула расчета ширины дорожки, основанная на стандарте IPC 2221, учитывает только площадь поперечного сечения (толщину меди), ток и повышение температуры. Ширина дорожки может быть дополнительно уточнена с учетом различных важных факторов, таких как удельное сопротивление, наличие переходных отверстий, дифференциальные пары или высокая плотность размещения компонентов. Формула расчета ширины дорожки может меняться в зависимости от различных факторов.
Как рассчитать ширину дорожки печатной платы на основе использования IPC 2152?
IPC 2152, также известный как «Стандарт определения допустимой токовой нагрузки при проектировании печатных плат», — это комплексный отраслевой стандарт. Он содержит рекомендации по определению подходящей ширины внутренних и внешних проводников в зависимости от тока и допустимого повышения температуры. В нём также указано, как такие ключевые факторы, как толщина меди, окружающая среда печатной платы, условия воздушного потока и материал, влияют на расчёт ширины проводника.
Выберите нужную диаграмму IPC 2152, чтобы определить точное поперечное сечение или ширину дорожки на основе подтверждённых параметров. IPC2152 содержит семейства кривых: Ось X: поперечное сечение/ширина дорожки (мил или мм); Ось Y: ток (A); Кривые: различные повышения температуры. Найдите параметры на диаграмме и определите поперечное сечение дорожки, а затем рассчитайте ширину дорожки по формуле W = A/T. При пересчёте убедитесь, что A и T выражены в одинаковых единицах (мил² и мил, или мм² и мм).
Ключевые диаграммы представлены на рис. 4-1, рис. 4-2 и других диаграммах для меди разной плотности. Рисунок 4-1 используется для внешних слоёв с лучшим теплоотводом, а рисунок 4-2 — для внутренних слоёв с худшим теплоотводом.
Как получить доступ к официальным таблицам IPC2152? Наиболее авторитетным источником информации является официальный документ стандарта IPC-2152, защищенный авторским правом, на сайте IPC . Этот документ содержит подробные таблицы и рекомендации по подтверждению поперечного сечения и ширины проводника.
IPC 2221 против IPC 2152: какой из них использовать?
IPC 2221, опубликованный в 2003 году, является более старым стандартом, чем IPC2152, опубликованный в 2009 году. Он основан на эмпирических кривых, полученных в лабораториях на простых платах, поэтому он всегда подходит для простых печатных плат, но не подходит для решения задач с платами высокой плотности или решения сложных тепловых задач. С другой стороны, IPC 2152 — более продвинутый стандарт, основанный на обширных эмпирических испытаниях, поэтому он подходит для удовлетворения современных и более точных потребностей в печатных платах с использованием экспериментальных данных и моделирования, например, для сильноточных печатных плат (драйверов двигателей).
Что касается точности, IPC 2221 предоставляет только базовую формулу для расчёта ширины дорожки, основанную на силе тока и повышении температуры, что приводит к более консервативному результату. IPC 2152 более подробен и учитывает больше реальных факторов, таких как расположение дорожки и температура окружающей среды, что обеспечивает более точные расчёты.
Что касается повышения температуры, стандарт IPC 2221 линейно учитывает повышение температуры, учитывая один параметр, учитываемый в допустимом повышении температуры. Однако стандарт IPC 2152 учитывает множество факторов, которые могут влиять на повышение температуры, таких как материал печатной платы, количество слоёв, толщина меди, реальная температура окружающей среды и многое другое. Это обеспечивает более точный результат и, как правило, меньшую ширину печатной платы.
| Особенность | МПК-2221 | ИПК-2152 |
| Формула | I = k * (ΔT)^b * A^c | Подробные графики и калькуляторы, основанные на данных и моделировании |
| Цель | Общая конструкция печатной платы, простой расчет ширины дорожки | Современный, детальный дизайн печатной платы, точная ширина дорожек и допустимая токовая нагрузка |
| Основа | Эмпирическая формула, полученная в ходе лабораторных испытаний | Экспериментальные данные + тепловое моделирование |
| Повышение температуры | Одинарный ΔT для допустимого подъема | Учитывает теплопроводность, окружающую среду и многослойные эффекты. |
| Отследить местоположение | Внутренний против внешнего (простой фактор) | Внутренний, внешний, плюс глубина слоя, распределение меди, эффекты близости |
| Точность | Консервативный, может иметь слишком большие следы | Точный, оптимизированный для реальных условий |
| Вариант использования | Простые платы, ранняя стадия проектирования | Сильноточные, плотные, многослойные, профессиональные платы |
| Условия окружающей среды | Ограниченное рассмотрение | Различные условия окружающей среды |
Заключение
Теперь вам необходимо полное понимание того, как рассчитать ширину проводников печатной платы на основе стандартов IPC-2221 и IPC-2152. Калькулятор IPC-2221 предлагает упрощённый метод расчета ширины проводников на основе формулы, практичный для простых печатных плат, а IPC-2152 — более подробный и продвинутый метод, основанный на реалистичном тестировании для получения более точных и современных результатов. Понимание двух стандартов обеспечивает гибкость и уверенность в проектировании печатных плат. YONGVE учитывает эти аспекты проектирования проводников печатных плат и изготавливает высокоточные печатные платы с использованием передовых производственных возможностей. Свяжитесь с нами, и наша команда гарантирует, что каждая плата обеспечит наилучшую производительность для ваших проектов.
Читать далее:
Как определить размер и проложить трассировку печатной платы?
