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Calculadora de Ancho de Trazas de PCB

Bienvenido a la Calculadora de Ancho de Traza de PCB! Esta herramienta te ayuda a determinar el ancho óptimo de una traza de cobre para tu diseño de PCB, asegurando que pueda transportar de forma segura una corriente especificada sin exceder un aumento de temperatura deseado. Al ingresar la longitud de la traza, también podemos estimar parámetros eléctricos clave como resistencia, caída de voltaje y pérdida de potencia, que son críticos para el rendimiento eficiente del circuito.

Tenga en cuenta que estos resultados se basan en las fórmulas estándar de IPC-2221 y son estimaciones; el rendimiento real puede variar según su aplicación única. Para capas internas, es probable que necesite trazas más anchas en comparación con las trazas superficiales, así que asegúrese de seleccionar el cálculo apropiado según sus necesidades de diseño.

Internal Layer Results:

Required Trace Width (W):

Resistance:

Voltage Drop:

Power Loss:

External Layer Results:

Required Trace Width (W):

Resistance:

Voltage Drop:

Power Loss:

Comprendiendo el estándar IPC - 2221

El estándar IPC – 2221 (y su versión actualizada, IPC – 2221A) es el estándar de la industria reconocido para el diseño de PCB. Proporciona fórmulas empíricas para calcular el ancho de la traza en función de los siguientes factores:

Capacidad de corriente: La corriente máxima que puede transportar una traza sin sobrecalentarse.
Aumento de temperatura: El aumento de temperatura debido a la corriente que fluye a través de la traza.
Grosor del cobre: Las capas de cobre más gruesas pueden transportar más corriente.
Tipo de capa: Las capas externas disipan el calor de manera más efectiva que las capas internas.

La capacidad de corriente actual se refiere a la corriente máxima que un conductor (como una pista de PCB) puede transportar de forma segura sin generar un exceso de calor o dañarse. Depende principalmente de los siguientes factores:

Material del conductor: Los diferentes materiales del conductor tienen diferentes resistividades. Por ejemplo, el cobre es un material conductor comúnmente utilizado en los PCBs porque tiene una resistividad relativamente baja, lo que le permite transportar corrientes más grandes con un área transversal más pequeña.
Área transversal del conductor: Cuanto mayor sea el área transversal, menor será la resistencia del conductor y mayor será la corriente que puede transportar. Esto se debe a que un área transversal más grande proporciona más vías para que los electrones fluyan, reduciendo las colisiones entre los electrones y los átomos y, por lo tanto, reduciendo la resistencia.
Condiciones de disipación de calor: Buenas condiciones de disipación de calor pueden disipar eficazmente el calor generado por el conductor, mejorando así su capacidad de transporte de corriente. Por ejemplo, en el diseño de PCBs, se pueden añadir capas de disipación de calor y vías térmicas para mejorar la disipación de calor.

Cuando la corriente pasa por un conductor, debido a la resistencia del conductor, se genera calor, lo que provoca que la temperatura del conductor aumente. El aumento de temperatura se refiere al aumento de la temperatura del conductor en relación con la temperatura ambiente. La magnitud del aumento de temperatura depende principalmente de los siguientes factores:

Magnitud de la corriente: Según la ley de Joule $Q = I^{2} Rt$ (donde $Q$ es calor, $I$ es corriente, $R$ es resistencia, y $t$ es tiempo), cuanto mayor sea la corriente, más calor se genera y mayor será el aumento de temperatura.
Resistencia del conductor: Cuanto mayor sea la resistencia, más calor se genera bajo la misma corriente, lo que resulta en un mayor aumento de temperatura.
Condiciones de disipación de calor: Buenas condiciones de disipación de calor pueden permitir que el calor se disipe más rápidamente, reduciendo así el aumento de temperatura.

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IPC - 2221 Formulas:

Según el estándar IPC-2221, las fórmulas clave son las siguientes:

Área de sección transversal:

A = \frac{I}{k \cdot ΔT b}

Variables:

A: Cross-sectional area (mm²)
I: Current (Amperes)
k: Material constant
0.024 for internal layers
0.048 for external layers
ΔT: Temperature rise (°C)
b: Empirical exponent (0.44 for ΔT ≤ 100°C)

Ancho de traza requerido (W):

W = \frac{A}{T \cdot 1.378}

Variables:

W:Trace width (mils)
A: Cross-sectional area from Formula 1 (mm²)
T: Copper thickness (oz/ft²)
1.378: Imperial conversion factor

Internal Layer Trace Width:

W = \frac{0.048 \cdot I^{0.44} \cdot T^{0.725}}{{ΔT}^{0.44}}

External Layer Trace Width:

W = \frac{0.024 \cdot I^{0.44} \cdot T^{0.725}}{{ΔT}^{0.44}}

Resistencia:

R = ρ \cdot \frac{L}{T \cdot W} \cdot [1 + α \cdot (t e m p - 25)]

Variables:

R: Trace resistance (Ω)
ρ: Copper resistivity
- 1.72×10⁻⁸ Ω·m (standard)
- 2.44×10⁻⁸ Ω·m @ 100°C
L: Trace length (meters)
T: Copper thickness
- 1 oz/ft² = 0.0347 mm
- 2 oz/ft² = 0.0694 mm
W: Trace width (meters)
α: Temperature coefficient
- 0.00393/°C for copper
- ≈ 3900 ppm/°C
temp: Operating temperature (°C)

Caída de voltaje:

V = I \cdot R = I \cdot \frac{ρ \cdot L}{A}

Variables:

V: Voltage drop (Volts)
I: Current (Amperes)
ρ: Copper resistivity
- 1.72×10⁻⁸ Ω·m @ 20°C
- Temperature adjusted value shown
L: Trace length
- In meters (SI units)
- 1 inch = 0.0254 m

Pérdida de potencia:

P = I^{2} \cdot R

Variables:

P: Power dissipation
- Unit: Watts (W)
- Critical for thermal management
- Max limit determined by PCB material
I: Current
- Unit: Amperes (A)
- RMS value for AC circuits
- Peak value consideration required
R: Trace resistance
- Unit: Ohms (Ω)
- Calculated by: $R = \frac{ρ \cdot L}{T \cdot W}$
- Temperature-dependent property

Condiciones ambientales:

W_{adj} = W \cdot {(1 + \frac{RH}{100})}^{0.25}

Variables:

W_adj: Adjusted trace width
W: Base width from Formula 2
RH: Relative humidity (%)
0.25: Environmental factor exponent

Derivación de la ecuación IPC - 2221

IPC – 2221 es un estándar general para el diseño de placas de circuito impreso (PCB). La ecuación para calcular el ancho de la traza en él se deriva en base a datos experimentales y análisis teóricos.

Principio básico

La derivación de esta ecuación se basa en el principio de equilibrio térmico del conductor, es decir, el calor generado por el conductor es igual al calor disipado. Cuando el conductor alcanza el equilibrio térmico, el aumento de temperatura se mantiene estable.

Proceso de derivación

Step1: Heat Generation

According to Joule's law, when a current $I$ passes through a conductor with resistance $R$ , the heat generated per unit time $P_{gen}$ is given by the formula:

P_{gen} = I^{2} R

Step2: Heat Dissipation

Heat dissipation mainly occurs through convection and radiation. For PCB traces, convection is the main heat - dissipation method. The power of convective heat dissipation $P_{diss}$ can be expressed as:

P_{diss} = h A Δ T

where $h$ is the convective heat - transfer coefficient, $A$ is the heat - dissipation area of the conductor, and $Δ T$ is the temperature rise.

Step3: Thermal Equilibrium

When thermal equilibrium is reached, the heat generated equals the heat dissipated, so we have:

P_{gen} = P_{diss}

Substituting the expressions for $P_{gen}$ and $P_{diss}$ , we get $I^{2} R = h A Δ T$ .

Resistance Calculation

The resistance of the conductor $R$ is calculated using the formula:

R = ρ \frac{l}{A_{c}}

where $ρ$ is the resistivity of the conductor, $l$ is the length of the conductor, and $A_{c}$ is the cross - sectional area of the conductor.

Step5: Trace Width Calculation

Substituting $R$ into the thermal equilibrium equation and after a series of experimental data fitting and corrections, the formula for calculating the trace width $W$ in IPC - 2221 is obtained.

For internal layer traces:

W = \frac{0.048 \times I^{0.44} \times T^{0.725}}{{Δ T}^{0.44}}

For external layer traces:

W = \frac{0.024 \times I^{0.44} \times T^{0.725}}{{Δ T}^{0.44}}

where $W$ is the trace width (in inches), $I$ is the current (in amperes), $T$ is the copper foil thickness (in ounces per square foot), and $Δ T$ is the temperature rise (in degrees Celsius).

Factores que afectan el ancho de la traza

Si bien el estándar IPC – 2221 sirve como una base sólida, hay factores adicionales a considerar:

Condiciones ambientales:

Altitud: En altitudes más elevadas, el aire es más delgado, lo que reduce la disipación del calor.
Cubiertas de encaje: Las trazas dentro de espacios cerrados pueden no enfriarse tan eficazmente.
Recubrimientos conformes: Estos recubrimientos pueden aislar la traza y afectar la transferencia de calor.

Propiedades del material:

Resistencia: Los diferentes aleaciones de cobre tienen diferentes resistividades eléctricas.
Geometría de la traza: Las trazas anchas y cortas son más eficientes para manejar la corriente.

Objetivos de diseño:

Integridad de Señal

Integridad de Potencia: Las trazas gruesas son esenciales para minimizar las caídas de voltaje en las redes de suministro de energía.

Cómo usar el calculador de manera efectiva?

Determine Your Design Requirements: Decida sobre la corriente máxima, el aumento de temperatura y el entorno de funcionamiento.
Input Parameters: Introduzca los valores en el calculador. Use el modo “Advanced” para cálculos detallados.
Review the Results: Verifique el ancho de la traza y los parámetros eléctricos. Ajuste las entradas si es necesario.
Validate with Your Manufacturer: Confirme los resultados con su fabricante de PCB para garantizar la manufacturabilidad.

Preguntas frecuentes respondidas

Q: ¿Puedo usar el calculador para diseños de alta tensión?

A: Sí, pero también consulte las normas de seguridad como IPC – 2221 para el creptaje y el espaciamiento.

Q: ¿Qué pasa si mi PCB tiene múltiples capas?

A: Use el calculador para cada capa por separado, considerando las propiedades térmicas de cada una.

Q: ¿Con qué precisión son los resultados?

A: El calculador proporciona estimaciones. Siempre realice simulaciones térmicas para diseños críticos.

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