Дорожка печатной платы нагревается током, как любой проводник. Если она слишком узкая, медь перегревается, основание платы темнеет и расслаивается, а в худшем случае дорожка перегорает. Минимальную ширину для заданного тока и допустимого перегрева дают графики стандарта IPC-2221 — калькулятор использует их аппроксимацию формулой.
Формула IPC-2221
Графики допустимого тока из IPC-2221 (ранее IPC-D-275) хорошо описываются формулой
где I — ток, А; ΔT — допустимое превышение температуры дорожки над окружающей средой, °C; A — сечение меди в квадратных милах (1 mil = 0,0254 мм); k = 0,048 для внешних слоёв и 0,024 для внутренних. Отсюда сечение и ширина:
где m — толщина меди в унциях на квадратный фут, а 1,378 mil — толщина слоя в одну унцию (около 35 мкм).
Графики построены для токов до 35 А, ширины до 400 mil (10,16 мм), перегрева 10–100 °C и меди 0,5–3 унции. За этими пределами формула экстраполирует, и калькулятор об этом предупреждает.
Ширина дорожки для типовых токов
Медь 35 мкм (1 унция), расчёт по формуле выше:
| Ток, А | Внешний слой, мм | Внутренний слой, мм | ||
|---|---|---|---|---|
| ΔT = 10 °C | ΔT = 20 °C | ΔT = 10 °C | ΔT = 20 °C | |
| 0,5 | 0,115 | 0,0758 | 0,3 | 0,197 |
| 1 | 0,3 | 0,197 | 0,781 | 0,513 |
| 2 | 0,781 | 0,513 | 2,03 | 1,33 |
| 3 | 1,37 | 0,898 | 3,56 | 2,33 |
| 5 | 2,77 | 1,82 | 7,19 | 4,72 |
| 10 | 7,19 | 4,72 | 18,7 | 12,3 |
Значения шире 10 мм (400 mil) выходят за пределы графиков IPC-2221 и получены экстраполяцией формулы.
Перегрев 10 °C — консервативный выбор для обычных плат, 20–30 °C допускают в силовых цепях, если соседние компоненты не боятся нагрева. Нагрев дорожки складывается с нагревом от компонентов рядом, поэтому возле горячих стабилизаторов и транзисторов закладывайте запас.
Сопротивление и падение напряжения
Дорожка, которая не перегревается, всё равно имеет сопротивление и теряет напряжение:
где ρ = 1,7241·10⁻⁸ Ом·м — удельное сопротивление отожжённой меди при 20 °C, α = 0,00393 1/°C — температурный коэффициент, L, w и t — длина, ширина и толщина дорожки, T — её температура. Калькулятор берёт T как температуру среды плюс допустимый перегрев.
Пример: дорожка 0,3 мм шириной, 100 мм длиной, медь 35 мкм, нагрета до 35 °C. Сопротивление — около 0,17 Ом, при токе 1 А падение 0,17 В и потери 0,17 Вт. По нагреву дорожка проходит, но для питания 3,3 В падение уже больше 5 %, поэтому цепи питания обычно разводят шире расчётной ширины или полигонами.
Внутренние слои и IPC-2152
В IPC-2221 внутренние дорожки считаются вдвое хуже по току: тепло отводится только через диэлектрик. Стандарт IPC-2152, выпущенный в 2009 году, заменил эти графики новыми измерениями. По ним внутренние дорожки часто держат больше тока, чем даёт IPC-2221: многое зависит от толщины платы, сплошных слоёв меди рядом и способа монтажа. Поэтому оценка IPC-2221 — с запасом, а для плотных силовых плат стоит смотреть IPC-2152 или делать тепловой расчёт.
Как применять результат
- Округляйте ширину вверх до сетки, которую поддерживает производитель плат, и проверьте его минимальную ширину проводника и зазор.
- Сильноточные цепи разводите полигонами и дублируйте на нескольких слоях: ток делится между слоями, а полигон лучше отводит тепло.
- Переходные отверстия тоже ограничивают ток. В силовой цепи ставят несколько переходных отверстий вместо одного.
- Не забывайте про контакты. Ток ограничивают ещё разъёмы, клеммы и выводы компонентов — у них свои пределы в даташитах.
- Для расчёта тока и мощности нагрузки пригодится калькулятор закона Ома, о выборе источника питания — раздел «Питание».
Частые вопросы
Какая ширина дорожки нужна для тока 1 А?
По IPC-2221 при меди 35 мкм (1 унция) и перегреве 10 °C — около 0,3 мм на внешнем слое и около 0,78 мм на внутреннем. Если допустить перегрев 20 °C, ширина уменьшится примерно в полтора раза. На практике для питания берут дорожку шире расчётной: так меньше падение напряжения.
Сколько тока выдержит дорожка шириной 1 мм?
При меди 35 мкм на внешнем слое и перегреве 10 °C — около 2,4 А по IPC-2221. При перегреве 20 °C — около 3,2 А. Для внутреннего слоя по тем же графикам ток примерно вдвое меньше.
Что значит толщина меди в унциях?
Это масса меди на квадратный фут площади: 1 унция на квадратный фут соответствует слою толщиной около 35 мкм, 2 унции — 70 мкм, 0,5 унции — 18 мкм. Большинство плат делают с медью 35 мкм на внешних слоях, для силовых цепей заказывают 70 мкм и толще.
Почему внутренняя дорожка должна быть шире внешней?
Внешняя дорожка отдаёт тепло в воздух, внутренняя — только через диэлектрик, который плохо проводит тепло. В IPC-2221 коэффициент для внутренних слоёв вдвое меньше, поэтому при том же токе ширина получается примерно в 2,6 раза больше. Более новые измерения IPC-2152 показывают, что эта оценка для внутренних слоёв с запасом.
Нужно ли учитывать падение напряжения на дорожке?
Да, особенно в цепях питания низковольтных микросхем. Дорожка 0,3 мм и длиной 100 мм при токе 1 А, выбранная по нагреву, имеет сопротивление около 0,17 Ом и теряет 0,17 В — для питания 3,3 В это больше 5 %. Калькулятор считает сопротивление, падение и потери, если указать длину.
Источники
- IPC-2221B. Generic Standard on Printed Board Design — графики допустимого тока проводников (ранее IPC-D-275)
- IPC-2152. Standard for Determining Current Carrying Capacity in Printed Board Design — 2009, заменяет графики IPC-2221 новыми измерениями
- Advanced Circuits. PCB Trace Width Calculator — аппроксимация графиков IPC-2221 формулой и пределы её применимости
Обновлено . Нашли ошибку в расчёте? Напишите нам.