Внимательно посмотрите на любую печатную плату. Вы заметите эти тонкие, блестящие линии, переплетающиеся по поверхности, словно миниатюрная дорожная карта. Они там не просто для красоты. Это медные дорожки. И они абсолютно необходимы для того, как функционирует ваша плата.
Медные дорожки — это не просто блестящие линии. Это линии жизни вашего Схема. Каждый сигнал. Каждый бит мощности. Все течет через них — от деликатных микросхем до прожорливых драйверов.
Но прокладка медной дорожки — это не игра в угадайку. Нельзя просто нарисовать линию и надеяться, что она выдержит. Слишком тонкая? Она перегревается. Слишком широкая? Вы теряете место и, возможно, деньги.
Вот тут-то и вступает в дело инженерия. Вам необходимо рассчитать размер каждой дорожки с учетом токовой нагрузки, веса меди и того количества тепла, которое вы можете выдержать.
Это компромисс. Ширина, толщина, повышение температуры — все взаимосвязано. Проигнорируйте один, и вы рискуете потерпеть неудачу. Сделайте все правильно, и ваша плата будет работать холоднее, безопаснее и дольше.
Итак, как сделать это правильно? Именно этим мы и займемся — как толщина меди, ширина дорожки, ток и повышение температуры связаны в конструкции печатной платы.
Толщина меди и ее роль
Не вся медь создается одинаковой, по крайней мере, на печатной плате. Толщина ваших медных дорожек напрямую влияет на то, какой ток они могут безопасно переносить. Большинство стандартных плат используют 1 унцию меди, что составляет около 1.4 мил (или 35 мкм) в толщину. Но как только вы начинаете иметь дело с более высокими токами, этого может быть недостаточно. Вот где вступают в дело более тяжелые медные веса — 2 унции, 3 унции и даже больше, если необходимо.
Так почему же толщина имеет значение? Все просто. Более толстые дорожки могут проводить больше тока без перегрева. Они также снижают сопротивление, что означает более высокую эффективность. Но есть и компромисс. Более толстая медь занимает больше места и стоит дороже. А в многослойных печатных платах места мало.
Вот общая справка:
|
Вес меди (унций/фут²)
|
Толщина (мил)
|
Толщина (мкм)
|
|
0.5 унций
|
0.7 тысячу
|
~18 мкм
|
|
1 унций
|
1.4 тысячу
|
~35 мкм
|
|
2 унций
|
2.8 тысячу
|
~70 мкм
|
|
3 унций
|
4.2 тысячу
|
~105 мкм
|
Вывод? Толщина меди — это не просто характеристика, это рычаг производительности. Используйте его с умом. И ваша плата будет работать холоднее и чище. Экономьте на ней, и вы можете получить сгоревшие дорожки и неудачные прототипы.
Как рассчитать ширину медной дорожки печатной платы
Теперь мы приступаем к настоящей проектной работе. Одна из самых важных задач в компоновке печатной платы? Выяснение того, какой ширины должна быть каждая дорожка. Речь идет не только о подгонке линий между контактными площадками. Каждая дорожка должна проводить ток без перегрева.
Цель проста: выбрать ширину, которая может выдержать текущую нагрузку, удерживая при этом повышение температуры в безопасных пределах. Однако, как вы увидите, математика, стоящая за этим, не всегда так проста.
Есть два основных фактора:
1. Пропускная способность по току
2. Допустимое повышение температуры
Ширина дорожки зависит от обоих. Общее правило: выше ток = шире дорожка.
Однако фактическое число варьируется в зависимости от того, является ли дорожка внутренней (внутри платы) или внешней (на поверхности), а также от того, насколько высокое повышение температуры вы можете допустить.
Вот уравнение, адаптированное из IPC-2221 (старого стандарта):
Ширина (мил) = (Ток (А) / (К × ΔT^b))^(1/c)
Где:
• k = 0.048, b = 0.44, c = 0.725 для внешних слоев
• ΔT — повышение температуры в градусах Цельсия
Звучит сложно? Вы не одиноки. Вот почему большинство инженеров теперь полагаются на калькуляторы ширины печатных плат, которые соответствуют IPC-2152.
Калькулятор ширины дорожки печатной платы
Вместо того, чтобы вручную считать числа, большинство проектировщиков используют онлайн-калькулятор трассировки или калькулятор ширины трассировки печатной платы. Эти инструменты выполняют всю сложную математику за кулисами. Вы просто подключаете:
• Желаемый ток
• Повышение температуры
• Вес меди (в унциях)
• Будь то внутреннее или внешнее
Инструмент сообщает вам минимальную ширину дорожки, которую следует использовать. Некоторые калькуляторы даже позволяют вам регулировать коэффициенты безопасности, падение напряжения и длину дорожки.
Вот несколько популярных из них, которым доверяют инженеры:
• Калькулятор ширины печатной платы Advanced Circuits
• Набор инструментов для печатных плат Saturn
• Калькулятор ширины трассировки EEWeb
Помните, что каждый калькулятор ширины трассы основан на какой-либо форме стандарта IPC, обычно IPC-2152, который заменил IPC-2221 для ширины трассы по сравнению с текущими рекомендациями. IPC-2152 более точен. Поскольку он учитывает реальные данные испытаний, включая конвекцию, расстояние между трассами и материал платы.
Независимо от того, проектируете ли вы простую светодиодную плату или сложную печатную плату распределения питания, хороший калькулятор трассировки печатной платы поможет сэкономить время и сократить количество ошибок проектирования.
Относительныйна судне между весом меди, шириной дорожки и пропускной способностью по току
Вот где все взаимосвязано. Допустим, вы проектируете печатную плату, которая обрабатывает 5 ампер. Вы можете добиться этого двумя способами:
1. Используйте более толстый слой меди и сделайте дорожку узкой.
2. Оставьте стандартную медь и сделайте дорожку намного шире.
Вот краткая таблица (с использованием рекомендаций IPC-2152):
|
Ширина следа
(Дюйм)
|
10 ° C
0.5oz
|
10 ° C
1.0oz
|
10 ° C
2.0oz
|
20 ° C
0.5oz
|
20 ° C
1.0oz
|
20 ° C
2.0oz
|
30 ° C
0.5oz
|
30 ° C
1.0oz
|
30 ° C
2.0oz
|
|
0.01
|
0.5
|
1
|
1.4
|
0.6
|
1.2
|
1.6
|
0.7
|
1.5
|
2.2
|
|
0.015
|
0.7
|
1.2
|
1.6
|
0.8
|
1.3
|
2.4
|
1
|
1.6
|
3
|
|
0.02
|
0.7
|
1.3
|
2.1
|
1
|
1.7
|
3
|
1.2
|
2.4
|
3.6
|
|
0.025
|
0.9
|
1.7
|
2.5
|
1.2
|
2.2
|
3.3
|
1.5
|
2.8
|
4
|
|
0.03
|
1.1
|
1.9
|
3
|
1.4
|
2.5
|
4
|
1.7
|
3.2
|
5
|
|
0.05
|
1.5
|
2.6
|
4
|
2
|
3.6
|
6
|
2.6
|
4.4
|
7.3
|
|
0.075
|
2
|
3.5
|
5.7
|
2.8
|
4.5
|
7.8
|
3.5
|
6
|
10
|
|
0.1
|
2.6
|
4.2
|
6.9
|
3.5
|
6
|
9.9
|
4.3
|
7.5
|
12.5
|
|
0.2
|
4.2
|
7
|
11.5
|
6
|
10
|
11
|
7.5
|
13
|
20.5
|
|
0.25
|
5
|
8.3
|
12.3
|
7.2
|
12.3
|
20
|
9
|
15
|
24
|
Итак, да, можно уменьшить ширину дорожки, увеличив толщину меди. Но опять же, есть баланс между стоимостью, пространством и тепловыми характеристиками.
Вот почему такие инструменты, как калькулятор ширины трассы или калькулятор толщины трассы, необходимы на этапе проектирования. Они позволяют вам играть с параметрами, чтобы найти наиболее эффективную конструкцию.
Связь между площадью поперечного сечения медной фольги печатной платы, допустимой нагрузкой по току и повышением температуры
Давайте увеличим масштаб того, что часто упускает из виду реальный размер медной дорожки, то есть ее площадь поперечного сечения. Это ширина дорожки, умноженная на толщину меди.
Простая математика, но она многое говорит.
Площадь = Ширина дорожки × Толщина меди
Чем больше эта площадь, тем ниже сопротивление. А чем ниже сопротивление, тем меньше тепла выделяется при протекании тока через дорожку.
Но вот в чем загвоздка: ток и повышение температуры напрямую связаны. Если вы пропускаете больше тока через дорожку, не увеличивая ее площадь, вы заставляете ее нести большую нагрузку, чем та, на которую она рассчитана. Сопротивление превращает этот избыточный ток в тепло, и температура начинает быстро расти.
Итак, что вы делаете? Вы либо даете току больше «пространства», увеличивая площадь — более широкую дорожку, более толстую медь — либо уменьшаете величину тока, который вы пропускаете.
Здесь нет короткого пути. Все дело в балансе. И помните, расположение дорожки на печатной плате также имеет значение. Внешние дорожки могут охлаждаться легче благодаря потоку воздуха. Внутренние дорожки? Они зажаты между слоями и нагреваются быстрее.
Вот краткое сравнение, чтобы вы могли оценить ситуацию:
2 унции меди, ширина следа 150 мил:
Площадь поперечного сечения = 150 мил × 2.8 мил = 420 мил²
Может безопасно переносить ток силой ~6.5 А при повышении температуры на 20°C.
2 унции меди, ширина следа 100 мил:
Площадь поперечного сечения = 100 мил × 2.8 мил = 280 мил²
Нагревается значительно быстрее при том же токе
Таким образом, небольшое уменьшение ширины может показаться безобидным, но оно серьезно повлияет на тепловые характеристики.
Ток, площадь и повышение температуры связаны между собой. Вы меняете одно, другие реагируют. Вот почему многие инженеры используют калькуляторы ширины трассы, калькуляторы тока трассы, и калькуляторы тока печатных плат, позволяющие удерживать конструкцию в безопасных пределах, особенно в сложных условиях.
Заключение
Медные дорожки — это вены любой печатной платы. Если вы сделаете их неправильно, то увидите все: от теплового пути до сгоревших плат. Но если вы сделаете их правильно, то ваша конструкция будет работать холоднее, безопаснее и эффективнее.
При работе с медными дорожками используйте калькулятор ширины дорожки для каждой линии электропередачи. Всегда учитывайте вес меди — 1 унции недостаточно для сильноточных дорожек. Сбалансируйте ширину и толщину — больше не всегда лучше, если пространство ограничено. Кроме того, дважды проверьте по стандартам IPC-2152 на предмет повышения температуры. И проверьте тепловые характеристики в реальных условиях.
И не забывайте, что печатные платы — это не просто дорожки. Размеры контактных площадок, переходные отверстия, терморельефы и решения по компоновке — все это влияет на нагрев и производительность.
Итак, в следующий раз, когда вы будете проектировать плату, потратьте немного времени, чтобы переосмыслить ваши медные дорожки. Используйте правильный калькулятор тока печатной платы, поймите ширину дорожки в зависимости от логики тока и позвольте инженерии, а не догадкам, направлять ваш проект.
