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 IPC-2221 e são estimativas; o desempenho real pode variar dependendo da sua aplicação específica. Para camadas internas, provavelmente você precisará de traços mais largos em comparação com os traços superficiais, portanto, certifique-se de selecionar o cálculo apropriado com base nas necessidades do seu projeto.

Resultados da Camada Interna:

Largura de Trilha Necessária (W):

Resistência:

Queda de Tensão:

Perda de Potência:

Resultados da Camada Externa:

Largura de Trilha Necessária (W):

Resistência:

Queda de Tensão:

Perda de Potência:

Entendendo a norma IPC - 2221

O IPC – 2221 (e sua versão atualizada, IPC – 2221A) é o padrão reconhecido pela indústria para o projeto de PCB. Ele fornece fórmulas empíricas para calcular a largura do traço com base nos seguintes fatores:

Capacidade de transporte de corrente: a corrente máxima que um traço pode transportar sem superaquecer.
Aumento de temperatura: O aumento da temperatura devido à corrente que flui através do traço.
Espessura do cobre: camadas de cobre mais espessas podem suportar mais corrente.
Tipo de camada: As camadas externas dissipam o calor de forma mais eficaz do que as camadas internas.

A capacidade de condução de corrente refere-se à corrente máxima que um condutor (como um traço de PCB) pode conduzir com segurança sem gerar calor excessivo ou causar danos. Depende principalmente dos seguintes fatores:

Material do condutor: diferentes materiais condutores têm diferentes resistividades. Por exemplo, o cobre é um material condutor comumente usado em PCBs porque tem uma resistividade relativamente baixa, permitindo que conduza correntes maiores com uma área transversal menor.
Área da seção transversal do condutor: quanto maior a área da seção transversal, menor a resistência do condutor e maior a corrente que ele pode transportar. Isso ocorre porque uma área da seção transversal maior fornece mais caminhos para o fluxo de elétrons, reduzindo a colisão entre elétrons e átomos e, assim, diminuindo a resistência.
Condições de dissipação de calor: Boas condições de dissipação de calor podem dissipar eficazmente o calor gerado pelo condutor, melhorando assim a sua capacidade de condução de corrente. Por exemplo, no design de PCB, podem ser adicionadas camadas de dissipação de calor e vias térmicas para melhorar a dissipação de calor.

Quando a corrente passa por um condutor, devido à resistência do condutor, é gerado calor, fazendo com que a temperatura do condutor aumente. O aumento da temperatura refere-se ao aumento da temperatura do condutor em relação à temperatura ambiente. A magnitude do aumento da temperatura depende principalmente dos seguintes fatores:

Magnitude da corrente: De acordo com a lei de Joule $Q = I^{2} Rt$ (onde $Q$ é o calor, $I$ é a corrente, $R$ é a resistência e $t$ é o tempo), quanto maior a corrente, mais calor é gerado e maior é o aumento da temperatura.
Resistência do condutor: quanto maior a resistência, mais calor é gerado sob a mesma corrente, resultando em um aumento de temperatura mais alto.
Condições de dissipação de calor: boas condições de dissipação de calor permitem que o calor seja dissipado mais rapidamente, reduzindo assim o aumento da temperatura.

IPC - 2221 Fórmulas:

De acordo com a norma IPC-2221, as fórmulas-chave são as seguintes:

Área 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)

Largura de traço necessária (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}}

Resistência:

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)

Queda de tensão:

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

Perda de energia:

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

Condições ambientais:

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

Derivação da equação IPC - 2221

IPC – 2221 é uma norma geral para o projeto de placas de circuito impresso (PCB). A equação para calcular a largura do traço nela é derivada com base em dados experimentais e análises teóricas.

Princípio básico

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

Processo de derivação

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).

Fatores que afetam a largura do traço

Embora a norma IPC – 2221 sirva como uma base sólida, há outros fatores a serem considerados:

Condições ambientais:

Altitude: Em altitudes mais elevadas, o ar é mais rarefeito, o que reduz a dissipação de calor.
Gabinetes: Os traços dentro de espaços fechados podem não esfriar com tanta eficácia.
Revestimentos conformados: Esses revestimentos podem isolar o traço e afetar a transferência de calor.

Propriedades do material:

Resistividade: Diferentes ligas de cobre têm diferentes resistividades elétricas.
Geometria do traço: Traços largos e curtos são mais eficientes no manuseio da corrente.

Objetivos do projeto:

Integridade do sinal: Traços estreitos podem causar incompatibilidades de impedância em circuitos de alta frequência.
Integridade de energia: Traços espessos são essenciais para minimizar quedas de tensão em redes de fornecimento de energia.

Como usar a calculadora de forma eficaz?

Determine os requisitos do seu projeto: Decida a corrente máxima, o aumento de temperatura e o ambiente operacional.
Parâmetros de entrada: insira os valores na calculadora. Use o modo "Avançado" para cálculos detalhados.
Revise os resultados: verifique a largura do traço e os parâmetros elétricos. Ajuste as entradas, se necessário.
Valide com o seu fabricante: confirme os resultados com o seu fabricante de PCB para garantir a viabilidade de fabricação.