Соотношение между током и шириной дорожек в проектировании печатных плат (PCB)

Проектирование печатных плат – это баланс электрических и тепловых характеристик, где соотношение между током и шириной дорожек является ключевым аспектом надежности схемы. Эта статья объединяет наиболее полезные ссылки и данные, чтобы помочь инженерам оптимизировать макет печатных плат.

1. Токопроводящая способность PCB и ширина дорожек

Токопроводящая способность дорожки зависит от ширины дорожки, толщины меди и допустимого повышения температуры. Хотя опытные инженеры могут оценить эту взаимосвязь интуитивно, новичкам зачастую бывает сложно.

Основные соображения:

• Широкие дорожки могут проводить больший ток.
• Увеличение толщины меди (например, с 1 OZ до 2 OZ) повышает токопроводящую способность.
• Повышение температуры критично: превышение пределов снижает надежность и производительность.

Данные стандарта MIL-STD-275

Стандарт MIL-STD-275 предлагает руководство по токопроводящей способности в зависимости от ширины и толщины дорожек. Например:

• Дорожка шириной 10MIL может проводить примерно 1A.
• Широкие дорожки не увеличивают токопроводящую способность линейно (например, дорожка шириной 50MIL не проводит 5A).

2. Соотношение между толщиной медного слоя, шириной дорожки и током

В проектировании печатных плат толщина медного слоя обычно измеряется в унциях (OZ), где:

• 1 OZ соответствует толщине 35μm.
• 2 OZ – это 70μm.

Эмпирическая формула для токопроводящей способности

Для приближенного расчета можно использовать формулу:

$$I=0.15\times \text{Ширина дорожки (W)}$$

Где $I$ – ток в амперах, а ширина дорожки $W$ указывается в MIL.

Например, дорожка шириной 10MIL и толщиной меди 1 OZ при комнатной температуре выдерживает примерно 1A.

Основные заметки:

1. Для повышения надежности рекомендуется снизить значения из таблиц на 50% при проектировании для больших токов.
2. Добавление слоя припоя значительно увеличивает токопроводящую способность, особенно в односторонних платах с большими токами.

3. Практические соображения при проектировании PCB

A. Факторы, влияющие на токопроводящую способность

1. Окружающая среда: Колебания температуры влияют на проводимость.
2. Площадки и переходные отверстия: Эти элементы могут ограничивать токопроводимость дорожки.
3. Оловяное покрытие: Слой припоя увеличивает проводимость.

B. Регулировка дизайна для больших токов

1. Добавление слоя припоя: Это увеличивает эффективную ширину дорожки и снижает сопротивление. Например, дорожка шириной 1 мм с оловянным покрытием может вести себя как дорожка шириной 2 мм.
2. Рассеивание тепла: Используйте медные заливки и переходные отверстия для эффективного отвода тепла.

4. Программы и инструменты для проектирования PCB

Современные инструменты, такие как PCBTEMP, позволяют точно рассчитать ток, ширину дорожек, импеданс и повышение температуры. Вводя параметры, такие как местоположение дорожки (внешняя или внутренняя), толщина меди и допустимая температура, можно определить оптимальную ширину дорожки для заданного тока.

5. Эмпирические формулы и примеры

Одна из широко используемых формул:

I=K⋅T0.44⋅A0.75I = K \cdot T^{0.44} \cdot A^{0.75} I=K⋅T0.44⋅A0.75

Где:

• $K=0.024$ (для внутреннего слоя) или $0.048$ (для внешнего слоя);
• $T$ – максимальное повышение температуры ($°C$);
• $A$ – площадь поперечного сечения медной дорожки (в квадратных MIL);
• $I$ – токопроводящая способность (в амперах).

6. Практические проблемы и их решения

A. Узкие дорожки и большие токи

Узкие дорожки могут перегореть при больших токах из-за перегрева. Используйте более широкие дорожки или увеличивайте толщину меди (например, до 2 OZ или 3 OZ) в токонесущих секциях.

B. Соединение площадок и переходных отверстий

Различные методы соединения (например, прямое соединение, соединение под прямым углом или под углом 45°) по-разному влияют на токопроводимость и тепловыделение:

• Прямое соединение: Максимизирует токопроводимость, но быстро рассеивает тепло, усложняя пайку.
• Соединение под углом: Уменьшает тепловыделение, упрощая пайку, но снижая проводимость.

7. Пример: Проблема с проектированием драйвера двигателя

В схеме управления двигателем с мостовым ключом (H-мост) часто возникали сбои из-за неправильного проектирования дорожек. Проблема была следующей:

• Контактная площадка использовала соединение под прямым углом только с двумя соединениями, что значительно снизило токопроводимость.
• Мгновенные скачки тока (~100A) во время работы H-моста выжигали дорожки.

Решение:

Прямое соединение медного покрытия значительно увеличило токопроводимость дорожек и решило проблему.

8. Рекомендации по проектированию PCB

1. Используйте проверенные данные: Следуйте таблицам и формулам для расчета ширины дорожек.
2. Применяйте программное обеспечение: Симулируйте токовые нагрузки и тепловые характеристики.
3. Учитывайте производственные процессы: Убедитесь, что ваш дизайн совместим с возможностями производства (например, пайкой).
4. Оптимизируйте проектирование площадок: Для мощных схем используйте прямое соединение для повышения проводимости.

Понимание соотношения между током и шириной дорожек позволяет создавать надежные и эффективные печатные платы. Всегда проводите тестирование и симуляции, чтобы проверить предположения в схемах с высокими токами.