通过迹线的电流限制是多少?

电器工程 电路板 当前的 痕迹
2022-01-11 09:58:22

之前已经提出过类似的问题和主题,例如

我过去使用过PCB Toolkit并没有遇到实际问题,但我之前也没有超过 1A 的电流通过信号走线。我注意到一些计算器之间存在差异。我想知道哪组工具更受信任。

我知道有很多图片和信息,如果这更容易,你可以跳到这个问题的底部以获得图片显示的摘要。

PCB 工具包

启用 IPC-2152 修饰符

在此处输入图像描述

一般窗口看起来像这样

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我一直在玩弄导体宽度,直到我能够达到~2A。我的输入设置如下

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我相信我的工厂从 0.5 盎司的底座开始,然后装盘。

这是外部层的结果

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内层(我已将导体宽度更新为 22 密耳)

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如果我要将选项从存在平面更改为不存在平面,我会得到一组不同的值。

保持外部层的设置相同,仅更改存在的平面:否

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使用未启用修饰符的 IPC-2152

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根据我之前提出的一个问题,PCB 上的强制空气会提高迹线的电流容量吗?,这似乎表明散热改善了电流限制,然后平面的存在有助于冷却,因此可以处理比没有的更高的电流。

CircuitCalculator.com:PCB走线宽度计算器

我原以为两者之间的值相似,但实际上并非如此。

如果我要输入我为 PCB 工具包输入的相同值(平面当前状态和基础铜和电镀铜除外。我得到以下

在此处输入图像描述

**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

所以我的问题是,这是正确的,因为如果可能的话,我还试图保持 50 欧姆的线路?我倾向于 PCB Toolkit 更准确,因为在线计算器使用的是 IPC-2221A,并且该网站自 2008 年 3 月以来似乎没有更新(最后一篇博客条目)。

最后,我正在寻找的是最小的外部/走线,它可以处理 2A 而不会过度增加铜厚度。更小的走线可以更容易地获得 50 欧姆的线路,而无需增加我的电路板厚度。

2个回答

我将尝试从我自己的研究中回答这个问题。

许多用于迹线宽度与电流的在线计算器都源自显然几年前发布的文档。一些消息来源说它是在 1950 年代,但我无法找到它的第一个出版日期。(公平地说,我看起来也没那么难)。IPC-2221 是印制板设计的通用标准。

我在这里找到了一份 IPC-2221 [链接]

该文档有一个更现代的版本(我没有日期),它的 IPC-2152 已经更新了过去的一些旧信息。如果原始文件是在 1950 年代发表的,那么 PCB 设计还有一段很长的路要走,比如使用平面和多层板。

PCB Toolkit 软件(默认情况下)使用 IPC-2152 和称为修饰符的东西。我很快就会深入了解。另一个网站 ( http://www.smps.us/ ) 也提供了迹线宽度与电流的计算器,并使用 IPC-2152 作为基线链接,正文包括对新旧差异的一些解释。

直到最近,计算印刷电路板 (PCB) 走线宽度的温升的主要来源是从半个多世纪前进行的实验得出的图。

它继续说..

基于最新研究的新标准 IPC-2152 涉及更多。它提供了 100 多个不同的数字,并让您考虑许多其他因素,例如 PCB 和导体的厚度、与铜平面的距离等。

页面的其余部分包括一个计算器和一些方程式,以及作者如何以及为什么做某些事情,但他说的一件事是

如果您的导体附近有一个带有铜平面的多层 PCB,则实际的 ΔT 将大大降低。但是,对于厚度小于 70 密耳且没有平面的电路板,温度可能会更高。因此,IPC 将图 5-2 称为保守可能会产生误导。无论如何,为了反映特定应用的条件,可以引入一个校正(修改)因子作为估计的实际和通用 ΔT 之间的比率。

我认为这是我们在 PCB Toolkit 中看到的修饰符。当我为 PCB Toolkit 和这个在线计算器插入相同的值时,我得到相同的结果**

在此处输入图像描述 在此处输入图像描述

** 内部走线宽度与在线计算器的修改宽度相匹配。

该文件还武断地假设内部导体只能承载外部导体的一半电流。实际上,正如新标准中提到的那样,内层实际上可能运行得更冷,因为电介质的导热性是空气的 10 倍。

我认为这很有趣,根据维基百科

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]

工程工具箱在大约 20C 时,空气的热导率为 0.0257 W/m·K

因此,如果您有一个平面,电介质会散发热量,因此您的走线实际上可以处理比以前想象的更多的电流。

TL;DR IPC-2152 是迹线宽度与电流的新标准,包括平面散热,以便迹线可以处理比以前想象的更多的电流。

PCB Toolkit(程序)和http://www.smps.us/pcb-calculator.html使用这个新标准。因此,如果您需要挤入更多具有更高额定电流的走线,或者如果您试图达到目标阻抗并能够处理更高的负载,IPC-2152 将能够提供帮助。但是,如果您可以做得更大,请做得更大,因为保守一点会更好,但是如果您需要挤压更多并被认为是“安全”,那么我认为这就是方法。

我以前使用过 PCB 轨迹计算器,但对结果并不满意。主要原因是所做的研究相当古老,其次,这些计算器将您从研究条件中抽象出来 - 研究时考虑的安全因素是什么,操作条件是什么,PCB质量是什么等等。除此之外,一旦你得到一个完全制造的PCB,它的规格将与理论值完全不同。例如,确切的导体厚度将取决于制造公司执行的所有过程。因此,在现实生活场景中使用理论结果变得困难/低效。

回到基础,安培处理能力与基础物理有关。任何走线都会有有限的电阻。当您在电位下降的情况下通过电流时,轨道中将产生功率耗散 P = V*I。如果达到轨道的熔点,您的 PCB 就会损坏。而已。

我会建议一种实用的方法,而不是进入理论上的方法。我们的想法是制作一个印刷电路板,该印刷电路板由不同厚度的走线制成,彼此平行放置。还可以使用不同铜厚度(35 微米、70 微米等)的电路板。将其用作该特定制造厂的参考板(只是偏执的一面)。每当您想找到迹线宽度的电流容量时,只需将信号施加到您认为不会在此电流下熔化的迹线即可。让它在那里停留一段时间,直到痕迹达到稳定的温度。尝试用手感受温度(或使用非接触式温度计或任何你能使用的东西来测量它)。

确保您针对您的 pcb 可能进入的最坏条件进行测试。获得温度后,您可以轻松决定要使用的走线宽度。