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.

Como usar uma calculadora de largura de trilhas PCB sem subdimensionar o cobre

Uma calculadora de largura de trilhas PCB estima a seção de cobre necessária para transportar uma determinada corrente com um aumento de temperatura permitido. O resultado depende da corrente, da espessura final do cobre, da camada interna ou externa e das hipóteses térmicas do modelo escolhido. É um ponto de partida, não uma aprovação automática: a temperatura da caixa, o cobre próximo, os planos, as vias, o ciclo de trabalho, as tolerâncias de fabricação e a temperatura admissível podem alterar consideravelmente a largura necessária.

Insira a corrente extrema: use corrente contínua ou RMS, conforme o caso, e avalie os picos separadamente.
Selecione a camada real: condutores internos e externos dissipam calor de forma diferente; não troque seus resultados.
Use o cobre acabado: confirme a folha de base e a metalização com o fabricante em vez de presumir um peso nominal.
Verifique a consequência elétrica: calcule a resistência com base no comprimento e na temperatura e confira a queda de tensão e a potência.
Acrescente uma margem de engenharia: valide as linhas críticas com normas IPC, análise térmica, medições do protótipo e limites de fabricação.