Circuitos e Fabricação, Projeto e fabricação de placas de circuito impresso (PCB)

Calculadora da largura do traço da placa de circuito impresso

Bem-vindo à Calculadora de Largura de Traço de PCB! Esta ferramenta ajuda você a determinar a largura ideal de um traço de cobre para o seu projeto de PCB, garantindo que ele possa transportar com segurança uma corrente especificada sem exceder o aumento de temperatura desejado. Ao inserir o comprimento do traço, também podemos estimar parâmetros elétricos importantes, como resistência, queda de tensão e perda de energia, que são essenciais para o desempenho eficiente do circuito.

Observe que esses resultados são baseados nas fórmulas padrão de IPC-2221 E são estimativas; O desempenho real pode variar dependendo de sua aplicação exclusiva. Para camadas internas, você provavelmente precisa de faixas maiores que os traços de superfície, portanto, selecione o cálculo adequado com base em suas necessidades de design.

Resultados de Capa Interna:

Ancho de Pista Requerido (W):

Resistencia:

Caída de Voltaje:

Pérdida de Potencia:

Resultados de Capa Externa:

Ancho de Pista Requerido (W):

Resistencia:

Caída de Voltaje:

Pérdida de Potencia:

Entendendo o padrão de IPC - 2221

O padrão IPC – 2221 (e sua versão atualizada, IPC – 2221a) é o padrão reconhecido da indústria para o design de PCB. Fornece fórmulas empíricas para calcular a largura da trilha com base nos seguintes fatores:

Capacidade atual: A corrente máxima que pode transportar um traço sem superaquecimento.
aumento de temperatura: LAumento da temperatura devido à corrente que flui através da pista.
Espessura do cobre: camadas de cobre mais grossas podem transportar mais corrente.
Tipo de nível: As camadas externas dissipam o calor de forma mais eficaz do que as camadas internas.

A capacidade de corrente da corrente refere-se à corrente máxima que um condutor (como uma pista de PCB) pode transportar com segurança sem gerar excesso de calor ou dano. Depende principalmente dos seguintes fatores:

Material do condutor: Materiais condutores diferentes têm resistividade diferente. Por exemplo, o cobre é um material condutor comumente usado em PCBs porque possui uma resistividade relativamente baixa, o que permite transportar correntes maiores com ummenor área de seção transversal.
Área de cruzamento de condutores: quanto maiorÁrea de seção transversal, menor a resistência do condutor e maior a corrente que ele pode transportar. Isso porque umA área de seção transversal maior fornece múltiplas vias para o fluxo de elétrons, reduzindo as colisões entre elétrons e átomos e, assim, reduzindo a resistência.
Condições de dissipação de calor: Boas condições de dissipação de calor podem efetivamente dissipar o calor gerado pelo motorista, melhorando assim sua capacidade de transporte atual. Por exemplo, no projeto de PCB, camadas de dissipação de calor e caminhos térmicos podem ser adicionados para melhorar a dissipação de calor.

Quando a corrente passa por um condutor, devido à resistência do condutor, é gerado calor, o que aumenta a temperatura do condutor. LAumento da temperatura refere-se aAumento da temperatura do condutor em relação à temperatura ambiente. LEntidade doO aumento da temperatura depende principalmente dos seguintes fatores:

Tamanho da corrente: de acordo com a lei de Joule $Q = Eu^{2} RT$ (onde $Q$ está quente, $Eu$ é atual, $r$ É resistência e $t$ é o tempo), quanto maior a corrente, mais calor é gerado e quanto maior aaumento de temperatura.
Resistência ao condutor: Quanto maior a resistência, mais calor é gerado sob a mesma corrente, o que resulta em um aumento maior na temperatura.
Condições de dissipação de calor: Boas condições de dissipação de calor podem permitir que o calor se dissipe mais rapidamente, reduzindo assimaumento de temperatura.

IPC - Fórmula 2221:

De acordo com o padrão IPC-2221, as principais fórmulas são as seguintes:

Área da seção transversal:

A = \frac{I}{k \cdot ΔT b}

Variáveis:

A: Área da seção transversal (mm²)
I: Corrente (Ampères)
k: Constante do material
0,024 para camadas internas
0,048 para camadas externas
ΔT: Elevação de temperatura (°C)
b: Expoente empírico (0,44 para ΔT ≤ 100 °C)

Largura da faixa necessária (W):

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

Variáveis:

W: Largura da trilha (mils)
A: Área da seção transversal da Fórmula 1 (mm²)
T: Espessura do cobre (oz/ft²)
1.378: Fator de conversão imperial

Largura da trilha para camadas internas:

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

Largura da trilha para camadas externas:

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

Resistência:

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

Variáveis:

R: Resistência da trilha (Ω)
ρ: Resistividade do cobre
- 1.72×10⁻⁸ Ω·m (padrão)
- 2.44×10⁻⁸ Ω·m @ 100°C
L: Comprimento da trilha (metros)
T: Espessura do cobre
- 1 oz/ft² = 0.0347 mm
- 2 oz/ft² = 0.0694 mm
W: Largura da trilha (metros)
α: Coeficiente de temperatura
- 0.00393/°C para o cobre
- ≈ 3900 ppm/°C
temp: Temperatura de operação (°C)

queda de tensão:

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

Variáveis:

V: Queda de tensão (Volts)
I: Corrente (Ampères)
ρ: Resistividade do cobre
- 1.72×10⁻⁸ Ω·m @ 20°C
- Valor ajustado pela temperatura exibido
L: Comprimento da trilha
- Em metros (unidades do SI)
- 1 polegada = 0.0254 m

Perda de energia:

P = I^{2} \cdot R

Variáveis:

P: Dissipação de potência
- Unidade: Watts (W)
- Crítico para gerenciamento térmico
- Limite máximo determinado pelo material da PCB
I: Corrente
- Unidade: Ampères (A)
- Valor RMS para circuitos CA
- Consideração do valor de pico necessária
R: Resistência da trilha
- Unidade: Ohms (Ω)
- Calculado por: $R = \frac{ρ \cdot L}{T \cdot W}$
- Propriedade dependente da temperatura

Condições ambientais:

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

Variáveis:

W_adj: Largura da trilha ajustada
W: Largura base da Fórmula 2
RH: Umidade relativa (%)
0.25: Expoente do fator ambiental

derivação doEquação do IPC - 2221

IPC – 2221 é um padrão geral para o projeto de circuitos impressos (PCB). LA equação para calcular a largura do traço nele é derivada com base em dados experimentais e análises teóricas.

Princípio básico

A derivação desta equação é baseada no princípio do equilíbrio térmico do condutor, ou seja, o calor gerado pelo condutor é igual ao calor dissipado. Quando o condutor atinge oEquilíbrio térmico, LO aumento da temperatura permanece estável.

processo de derivação

Passo 1: Geração de Calor

De acordo com a lei de Joule, quando uma corrente $I$ passa por um condutor com resistência $R$ , o calor gerado por unidade de tempo $P_{ger}$ é dado pela fórmula:

P_{ger} = I^{2} R

Passo 2: Dissipação de Calor

A dissipação de calor ocorre principalmente por convecção e radiação. Para trilhas de PCB, a convecção é o principal método de dissipação de calor. A potência da dissipação térmica por convecção $P_{diss}$ pode ser expressa como:

P_{diss} = h A Δ T

onde $h$ é o coeficiente de transferência de calor por convecção, $A$ é a área de dissipação de calor do condutor e $Δ T$ é a elevação de temperatura.

Passo 3: Equilíbrio Térmico

Quando o equilíbrio térmico é atingido, o calor gerado é igual ao calor dissipado, portanto temos:

P_{ger} = P_{diss}

Substituindo as expressões para $P_{ger}$ e $P_{diss}$ , obtemos $I^{2} R = h A Δ T$ .

Cálculo da Resistência

A resistência do condutor $R$ é calculada usando a fórmula:

R = ρ \frac{l}{A_{c}}

onde $ρ$ é a resistividade do condutor, $l$ é o comprimento do condutor e $A_{c}$ é a área da seção transversal do condutor.

Passo 5: Cálculo da Largura da Trilha

Substituindo $R$ na equação de equilíbrio térmico e após uma série de ajustes e correções de dados experimentais, obtém-se a fórmula para calcular a largura da trilha $W$ na norma IPC-2221.

Para trilhas de camadas internas:

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

Para trilhas de camadas externas:

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

onde $W$ é a largura da trilha (em polegadas), $I$ é a corrente (em ampères), $T$ é a espessura da folha de cobre (em onças por pé quadrado) e $Δ T$ é a elevação de temperatura (em graus Celsius).

Fatores que afetam a largura da pista

Embora o padrão IPC-2221 sirva como uma base sólida, há fatores adicionais a serem considerados:

Condições ambientais:

altitude: Em altitudes mais altas, LO ar é mais fino, o que reduz a dissipação de calor.
Capas de renda: As faixas todasDentro de espaços fechados pode não esfriar com a mesma eficácia.
Revestimentos compatíveis: Esses revestimentos podem isolar a pista e afetar a transferência de calor.

Propriedades do material:

Resistência: Várias ligas de cobre têm resistividade elétrica diferente.
geometria do traço: As trilhas largas e curtas são mais eficientes no manuseio da corrente.

Objetivos do projeto:

integridade do sinal

integridade do poder: Trilhos grossos são essenciais para minimizar quedas de tensão nas redes de alimentação.

Como usar a calculadora de forma eficaz?

Determine seus requisitos de design: Decida a corrente máxima, LAumento da temperatura e Lambiente operacional.
Parâmetros de entrada: insira os valores na calculadora. Use o modo “avançado” para cálculos detalhados.
Revise os resultados: Verifique a largura da pista e os parâmetros elétricos. Ajuste as entradas, se necessário.
Valide com seu fabricante: Confirme os resultados com o fabricante do PCB para garantir a produção.

Cómo usar una calculadora de ancho de pista PCB sin reducir el cobre

Una calculadora de ancho de pista PCB estima la sección de cobre necesaria para transportar una corriente determinada con un aumento de temperatura permitido. El resultado depende de la corriente, el espesor final del cobre, la capa interna o externa y las hipótesis térmicas del modelo elegido. Es un punto de partida, no una aprobación automática: temperatura de la caja, cobre cercano, planos, vías, ciclo de trabajo, tolerancias de fabricación y temperatura admisible pueden modificar notablemente el ancho requerido.

Introduzca la corriente extrema: use corriente continua o RMS según corresponda y evalúe los picos por separado.
Seleccione la capa real: conductores internos y externos disipan calor de forma distinta; no intercambie sus resultados.
Use el cobre terminado: confirme lámina base y metalizado con el fabricante en vez de suponer un peso nominal.
Revise la consecuencia eléctrica: calcule resistencia con longitud y temperatura, y compruebe pérdida de tensión y potencia.
Añada margen de ingeniería: valide líneas críticas con normas IPC, análisis térmico, mediciones del prototipo y límites fabriles.