¿cuál es el límite de corriente a través de una traza?

Question

Ya se han planteado preguntas y temas similares, como por ejemplo

• ¿Anchos de traza estándar en las placas de circuito impreso?
• Fórmula de la caída de tensión en función de la anchura del trazado de la PCB, la temperatura, la corriente y la longitud del trazado

He utilizado Kit de herramientas para PCB en el pasado y no he tenido problemas prácticos, pero tampoco he tenido más de 1A corriendo por las trazas de señal antes. Lo que estoy notando es que hay una diferencia entre algunas de las calculadoras. Me gustaría saber qué conjunto de herramientas es más fiable.

Entiendo que hay un montón de fotos con la información en todas las imágenes, puede saltar a la parte inferior de esta pregunta para un resumen de las imágenes muestran si eso es más fácil.

Kit de herramientas para PCB

Con los modificadores IPC-2152 activados

La ventana general tiene el siguiente aspecto

He jugado con la anchura del conductor hasta llegar a ~2A. Mis ajustes de entrada son los siguientes

Creo que mi casa fab comienza con 0,5 oz de base y luego las placas hacia arriba.

Estos son los resultados de la capa externa

Capa interna (he actualizado el ancho de mi conductor a 22 mils)

Si cambiara la opción de plano presente a sin plano presente, obtendría un conjunto diferente de valores.

Manteniendo la misma configuración para la capa externa, y cambiando sólo avión presente: no

Con IPC-2152 sin modificadores habilitados

De una pregunta que había hecho antes, ¿El aire forzado en la PCB mejorará la capacidad actual de la traza? , lo que parece indicar que la disipación del calor mejora los límites de la corriente, entonces la presencia del plano ayuda a la refrigeración y por lo tanto puede manejar corrientes más altas que sin él.

CircuitCalculator.com : Calculadora de la anchura de las trazas de la placa de circuito impreso

Hubiera esperado que los valores fueran similares entre ambos, pero realmente no lo son.

Si introdujera los mismos valores que había introducido para el PCB Toolkit (con la excepción del estado presente del plano y el cobre base y el cobre de revestimiento. Obtengo lo siguiente

**Summary**
The following all has a target current of ~2A with a 20C temp rise.
PCB Toolkit with IPC-2152 modifiers           Internal Trace       22 mils
PCB Toolkit with IPC-2152 without modifiers   Internal Trace       55 mils
Circuit Calculator                            Internal Trace       52.6 mils

PCB Toolkit with IPC-2152 modifiers           External Trace       12 mils
PCB Toolkit with IPC-2152 without modifiers   External Trace       36 mils
Circuit Calculator                            External Trace       20.2 mils

Así que mi pregunta es, ¿cuál es la correcta porque también estoy tratando de mantener una línea de 50 ohmios si es posible? Me inclino por que PCB Toolkit es más preciso, ya que la calculadora en línea está utilizando IPC-2221A y el sitio web no parece haber sido actualizado desde marzo de 2008 (última entrada del blog).

Al final, lo que estoy buscando es una traza externa más pequeña, que pueda manejar 2A sin ser excesiva en el grosor del cobre. Las trazas más pequeñas facilitan la obtención de una línea de 50 ohmios sin tener que aumentar el grosor de mi placa.

Answer 1

Voy a intentar responder a esta pregunta a partir de mis propias investigaciones al respecto.

Muchas de las calculadoras en línea para el ancho de la traza frente a la corriente se derivan de un documento que se publicó aparentemente hace años. Algunas fuentes han dicho que fue en los años 50, pero no he podido encontrar la primera fecha en que se publicó. (Para ser justos, tampoco he buscado mucho). El IPC-2221 es la norma genérica sobre diseño de placas de circuito impreso.

Encontré una copia de IPC-2221 aquí [enlace]

Existe una versión más moderna de este documento (no tengo la fecha), y es el IPC-2152 que desde entonces ha actualizado parte de la información más antigua del pasado. Si el documento original se publicó en la década de 1950, el diseño de placas de circuito impreso ha avanzado mucho, como el uso de planos y placas multicapa.

El software PCB Toolkit utiliza (por defecto) IPC-2152 con algo llamado modificadores. Pronto hablaré más de eso. Otro sitio web, ( http://www.smps.us/ ) también proporciona una calculadora para la anchura de la traza frente a la corriente y utiliza el IPC-2152 como referencia enlace y el cuerpo incluye alguna explicación sobre las diferencias con el antiguo y el nuevo.

Hasta hace poco, la principal fuente de cálculo del circuito impreso de la placa de circuito impreso (PCB) para el aumento de la temperatura eran los gráficos derivados de los experimentos realizados hace más de medio siglo.

Se dice

La nueva norma IPC-2152, que se basa en los últimos estudios, es es mucho más compleja. Proporciona más de 100 cifras diferentes y permite tener en cuenta muchos factores adicionales, como el grosor de la placa de circuito impreso y los conductores, la distancia a un plano de cobre, etc.

El resto de la página incluye una calculadora y algunas ecuaciones y cómo y por qué el autor hizo ciertas cosas, pero una cosa que dice es

Si tiene una placa de circuito impreso multicapa con un plano de cobre cerca de su conductor, el ∆T real será sustancialmente menor. Sin embargo, para las placas de menos de 70 mils de espesor sin plano las temperaturas pueden ser más altas. Por lo tanto, el IPC que se refiere a la Fig.5-2 como conservadora puede ser engañosa. De todos modos, para reflejar las condiciones de una aplicación aplicación, se puede introducir un factor de corrección (modificador) como la relación entre la estimación real y la genérica de ∆T.

Creo que se trata de los modificadores que vemos con PCB Toolkit. Cuando introduzco los mismos valores tanto en PCB Toolkit como en esta calculadora online, obtengo el mismo resultado**

** La anchura de la traza interna coincide con la anchura revisada de la calculadora en línea.

Ese documento también asumía arbitrariamente que los conductores internos podían transportar sólo la mitad de la corriente de los exteriores. En realidad, como como se menciona en la nueva norma, las capas internas pueden funcionar más frías porque el dieléctrico tiene una conductividad térmica 10 veces mejor que el que el aire.

Me pareció interesante y según Wikipedia

Thermal conductivity, through-plane 0.29 W/m·K,[1] 0.343 W/m·K[2]
Thermal conductivity, in-plane  0.81 W/m·K,[1] 1.059 W/m·K[2]

y La caja de herramientas de ingeniería a unos 20C, la conductividad térmica del aire es de 0,0257 W/m-K

Así que si tienes un plano, el dieléctrico distribuye ese calor, por lo que tu traza puede realmente manejar más corriente de lo que se pensaba.

TL;DR IPC-2152 es el nuevo estándar para el ancho de la traza frente a la corriente, e incluye la disipación de calor con un plano para que las trazas puedan manejar más corriente, de lo que se pensaba anteriormente.

PCB Toolkit (programa) y http://www.smps.us/pcb-calculator.html utilizar esta nueva norma. Así que si usted Necesito para meter más trazas con una corriente nominal más alta, o si está tratando de alcanzar una impedancia objetivo y ser capaz de manejar una carga más alta, el IPC-2152 será capaz de ayudar. Sin embargo, si puedes ir más grande, ve más grande porque es mejor ser conservador, pero si necesitas exprimir más y ser considerado "seguro", entonces creo que este es el camino.

Answer 2

Ya he utilizado antes las calculadoras de pistas de PCB, pero no quedé satisfecho con los resultados. La razón principal es que la investigación realizada era bastante antigua y, en segundo lugar, estas calculadoras te abstraen de las condiciones de la investigación, como por ejemplo, cuál era el factor de seguridad considerado en el momento de la investigación, cuáles eran las condiciones de funcionamiento, cuál era la calidad de la placa de circuito impreso, etc. Además, una vez que se obtiene una placa de circuito impreso totalmente fabricada, sus especificaciones serán totalmente diferentes de un valor teórico. Por ejemplo, el grosor exacto del conductor dependerá de todo el proceso llevado a cabo por la empresa de fabricación. Por lo tanto, resulta difícil e ineficaz utilizar un resultado teórico en la vida real.

Volviendo a lo básico, la capacidad de manejo de amperios está relacionada con la física básica. Cualquier traza tiene una resistencia finita. Cuando pasa una corriente bajo una caída de potencial, habrá una disipación de potencia P = V*I en la pista. Si se alcanza el punto de fusión de la pista, tu PCB se daña. Eso es todo.

Yo sugeriría un enfoque práctico en lugar de entrar en la teoría. La idea es fabricar una placa de circuito impreso con trazas de distinto grosor, colocadas en paralelo. Consigue también esta placa con distintos grosores de cobre (35 micras, 70 micras, etc.). Utiliza esta placa como referencia para esa empresa de fabricación en particular (sólo para estar en el lado paranoico). Siempre que quieras encontrar la capacidad de corriente de un ancho de traza, simplemente aplica la señal a una traza que creas que no se fundirá con esta corriente. Deja que permanezca allí durante un tiempo hasta que la traza alcance una temperatura estable. Intenta sentir la temperatura con la mano (o medirla con un termómetro sin contacto o lo que puedas usar).

Asegúrese de hacer la prueba para la peor condición que su pcb puede llegar a tener. Una vez obtenida la temperatura, podrá decidir fácilmente el ancho de la traza a utilizar.