Aby dobrać szerokość ścieżki PCB, wprowadź do kalkulatora prąd, grubość miedzi, dopuszczalny przyrost temperatury i położenie warstwy. Kalkulator oparty na IPC-2221 oszacuje potrzebny przekrój, z którego wyznacza się szerokość ścieżki. Wynik trzeba następnie ocenić pod kątem spadku napięcia, warunków chłodzenia oraz całej drogi przepływu prądu, w tym przelotek.
Jak działa kalkulator szerokości ścieżki PCB?
Ścieżka jest miedzianym połączeniem między elementami obwodu. Ma określoną rezystancję, więc przepływ prądu powoduje spadek napięcia i wydzielanie ciepła. Zbyt wąskie połączenie może nadmiernie się nagrzewać, a w skrajnym przypadku ulec uszkodzeniu. Dobór szerokości jest zatem częścią projektowania obwodu, a nie wyłącznie kwestią rozmieszczenia połączeń na płytce.
Kalkulator wykorzystuje zależność empiryczną między prądem, przekrojem miedzi i przyrostem temperatury. Pozwala wstępnie dobrać szerokość do założonego obciążenia. Tę samą zależność można wykorzystać w drugą stronę: przy znanej szerokości i grubości oszacować prąd dla przyjętego przyrostu temperatury. Na tym polega również działanie kalkulatora prądu PCB.
Warto rozróżniać szerokość, grubość i pole przekroju. Szerokość ustalasz podczas prowadzenia ścieżki, natomiast grubość wynika z przyjętej warstwy miedzi. Ich iloczyn daje pole przekroju przewodnika. Samo podanie szerokości bez informacji o grubości miedzi nie wystarcza więc do oceny obciążalności.
Jakie dane przygotować przed obliczeniami?
Przed uruchomieniem kalkulatora ustal parametry konkretnego połączenia. Nie wystarczy znać całkowitego poboru prądu przez urządzenie: do obliczeń potrzebny jest prąd płynący przez rozpatrywany odcinek ścieżki.
- Prąd: określ obciążenie, które ma przenosić dana ścieżka w rozpatrywanych warunkach pracy.
- Grubość miedzi: sprawdź wartość dla wybranej warstwy płytki i jednostkę wymaganą przez kalkulator.
- Położenie ścieżki: wybierz warstwę zewnętrzną lub wewnętrzną, ponieważ model stosuje dla nich inne współczynniki.
- Przyrost temperatury: ustal dopuszczalne nagrzewanie ścieżki względem otoczenia.
- Długość: przygotuj ją do osobnego obliczenia rezystancji i spadku napięcia.
Typowe ustawienie kalkulatora to przyrost temperatury ΔT = 10 °C i temperatura otoczenia 25 °C. Są to ustawienia wejściowe, a nie uniwersalne wymagania dla każdej płytki. ΔT oznacza różnicę między temperaturą ścieżki przewodzącej prąd a temperaturą jej otoczenia; nie jest temperaturą bezwzględną ścieżki.
Wzór IPC-2221: od prądu do szerokości
W kalkulatorach opartych na IPC-2221 stosuje się następującą zależność:
I = k · ΔT0,44 · A0,725
Symbol I oznacza prąd w amperach, ΔT — przyrost temperatury w °C, a A — pole przekroju ścieżki w mil². Współczynnik k wynosi 0,048 dla warstwy zewnętrznej i 0,024 dla wewnętrznej. Aby obliczyć pole przekroju dla zadanego prądu, przekształć równanie:
A = [I / (k · ΔT0,44)]1/0,725
Następnie oblicz szerokość: w = A / t, gdzie t oznacza grubość miedzi. Jeżeli pole przekroju podano w mil², grubość musi być wyrażona w mil, a szerokość również otrzymasz w mil. Nie podstawiaj grubości w mikrometrach do równania z polem przekroju w mil².
Przykład obliczeniowy przy założeniu I = 1 A, ΔT = 10 °C i miedzi 1 oz/ft² na warstwie zewnętrznej: grubość wynosi około 35 µm, czyli 1,378 mil. Ponieważ 100,44 ≈ 2,754, obliczenie ma postać:
A = [1 / (0,048 · 2,754)]1/0,725 ≈ 16,3 mil²
w ≈ 16,3 / 1,378 ≈ 11,8 mil ≈ 0,30 mm
To wstępne oszacowanie z modelu empirycznego. Ostateczny dobór wymaga uwzględnienia chłodzenia, sąsiednich ścieżek i przelotek. Wynik nie opisuje automatycznie wszystkich warunków, w których będzie pracować gotowa płytka.
Przykłady: warstwa zewnętrzna i wewnętrzna
Poniższa tabela przedstawia przykłady obliczeniowe przy założeniu miedzi 1 oz/ft², grubości około 35 µm i ΔT = 10 °C. Wszystkie szerokości są wartościami przybliżonymi. Nie należy traktować ich jako gotowych reguł dla dowolnego projektu.
| Założony prąd | Szerokość na warstwie zewnętrznej | Szerokość na warstwie wewnętrznej |
|---|---|---|
| 1 A | około 0,30 mm | około 0,78 mm |
| 2 A | około 0,78 mm | około 2,03 mm |
W tym modelu warstwa wewnętrzna wymaga wyraźnie większej szerokości. Dla przykładu z prądem 1 A zastosowanie k = 0,024 daje pole przekroju około 42,4 mil², a następnie szerokość około 30,8 mil, czyli 0,78 mm. Dlatego przeniesienie połączenia na inną warstwę wymaga ponownego przeliczenia, nawet jeśli prąd i grubość miedzi pozostają takie same.
Rezystancja ścieżki, spadek napięcia i straty mocy
Spełnienie założenia dotyczącego nagrzewania nie kończy doboru szerokości. Trzeba jeszcze sprawdzić, jaki spadek napięcia powstanie na połączeniu. W obliczeniu rezystancji znaczenie ma długość ścieżki, której nie ma w powyższym wzorze na obciążalność.
R = ρ · L / (w · t), ΔU = I · R, P = I² · R
We wzorze R oznacza rezystancję, ρ — rezystywność miedzi, L — długość ścieżki, w — jej szerokość, a t — grubość. Przyjmując ρ ≈ 1,68 · 10−8 Ω·m, wszystkie wymiary należy wyrazić w metrach.
Przykład obliczeniowy przy założeniu szerokości 0,78 mm, grubości 35 µm, długości 100 mm i prądu 2 A:
R = (1,68 · 10−8 · 0,1) / (0,78 · 10−3 · 35 · 10−6) ≈ 0,0615 Ω
ΔU ≈ 0,123 V
P ≈ 0,25 W
Są to wyniki dla przyjętych wymiarów i rezystywności, a nie pomiary gotowej płytki. Oceń, czy taki spadek napięcia jest dopuszczalny w danym obwodzie. Poszerzenie lub skrócenie ścieżki zmniejsza jej rezystancję; trzeba jednak rozpatrzyć całą drogę zasilania, także połączenie powrotne.
Grubsza miedź a potrzebna szerokość
Oznaczenie miedzi w oz/ft² określa jej masę przypadającą na powierzchnię. W opisach płytek często stosuje się skrót „oz”. Do obliczenia szerokości potrzebna jest odpowiadająca mu grubość:
| Oznaczenie miedzi | Przybliżona grubość |
|---|---|
| 0,5 oz/ft² | 17,5 µm |
| 1 oz/ft² | 35 µm |
| 2 oz/ft² | 70 µm |
Przykład obliczeniowy przy założeniu zachowania tego samego pola przekroju: ścieżka o szerokości 0,78 mm i grubości 35 µm ma przekrój 27,3 · 10−9 m². Taki sam przekrój ma ścieżka o szerokości 0,39 mm i grubości 70 µm. W tym porównaniu podwojenie grubości pozwala zmniejszyć szerokość o połowę.
Grubsza miedź może więc pomóc tam, gdzie brakuje miejsca na szersze połączenie. Nadal trzeba sprawdzić warstwę, warunki chłodzenia, odstępy i przewężenia. Równość przekrojów jest zależnością geometryczną, nie potwierdzeniem warunków cieplnych całego projektu.
Szerokość ścieżki a impedancja mikropaska
Dobór ścieżki do prądu i dobór jej impedancji to odrębne obliczenia. W przypadku mikropaska impedancja charakterystyczna zależy od stosunku szerokości ścieżki do wysokości dielektryka, czyli w/h, jego przenikalności elektrycznej εr oraz grubości metalizacji.
Sam wynik kalkulatora prądowego nie wystarcza zatem do zaprojektowania połączenia o zadanej impedancji. Potrzebne są również informacje o układzie warstw i materiale płytki. Przy częstotliwościach mikrofalowych trzeba uwzględnić duże straty dielektryczne FR-4. Nie należy dowolnie poszerzać ścieżki sygnałowej bez sprawdzenia, jak zmiana geometrii wpłynie na jej impedancję.
Lista kontrolna przed zatwierdzeniem projektu
Przejdź po całym połączeniu od pola lutowniczego do pola lutowniczego. Szeroki odcinek ścieżki nie zastępuje sprawdzenia miejsc, w których zmieniają się jej wymiary lub warstwa.
- Zweryfikuj dane wejściowe. Porównaj prąd, grubość miedzi, położenie warstwy i przyjęty ΔT z założeniami projektu.
- Sprawdź jednostki. Rozróżniaj mil, mm i µm oraz pole przekroju i szerokość. Zachowaj spójność jednostek w każdym obliczeniu.
- Oceń całą trasę. Uwzględnij przewężenia przy polach lutowniczych oraz przelotki łączące warstwy.
- Oblicz spadek napięcia. Użyj długości rzeczywistego połączenia i sprawdź, czy wynik odpowiada wymaganiom obwodu.
- Uwzględnij otoczenie cieplne. Oceń warunki chłodzenia i obecność sąsiednich ścieżek, zamiast bezwarunkowo przyjmować wynik kalkulatora.
- Skontroluj odstępy. Dobierz je do napięć w obwodzie i wymagań projektu oraz uzgodnij geometrię z producentem PCB. Kalkulator szerokości nie wyznacza automatycznie wymaganych odstępów.
Najczęściej zadawane pytania
Czy istnieje jedna właściwa szerokość ścieżki dla danego prądu?
Nie. Wynik zależy także od grubości miedzi, położenia warstwy i przyjętego przyrostu temperatury. Ostateczny wybór musi uwzględniać chłodzenie oraz dopuszczalny spadek napięcia na konkretnej długości połączenia.
Czy przyrost temperatury jest tym samym co temperatura otoczenia?
Nie. Temperatura otoczenia opisuje warunki wokół ścieżki, a ΔT określa, o ile ścieżka się względem niego nagrzewa. Tych wielkości nie można stosować zamiennie podczas wpisywania danych do kalkulatora.
Czy kalkulator prądu PCB zastępuje kalkulator szerokości?
Oba mogą korzystać z tej samej zależności IPC-2221, lecz odpowiadają na inne pytania. Pierwszy szacuje prąd dla znanego przekroju i ΔT, drugi wyznacza przekrój oraz szerokość dla założonego prądu.
Czy wynik IPC-2221 wystarczy do zatwierdzenia płytki?
To oszacowanie wstępne. Przed zatwierdzeniem projektu trzeba uwzględnić rzeczywiste chłodzenie, sąsiednie ścieżki, przelotki i spadki napięcia. Sam wynik liczbowy nie potwierdza, że całe połączenie spełni wymagania w gotowym urządzeniu.
Podsumowanie
Zacznij od prądu, grubości miedzi, warstwy i dopuszczalnego przyrostu temperatury. Wyznacz przekrój ze wzoru IPC-2221, przelicz go na szerokość, a następnie sprawdź rezystancję i spadek napięcia. Przykładowe szerokości są pomocne przy porównaniu wariantów, lecz końcowa decyzja powinna wynikać z warunków konkretnej płytki. Kontrola przewężeń, przelotek, chłodzenia i odstępów pozwala ocenić całe połączenie.
