Skip to content
RFrftools.io
PCB

PCB-Leiterbahnbreitenrechner (IPC-2221/IPC-2152)

Berechnen Sie die minimale Leiterbahnbreite für die aktuelle Kapazität pro IPC-2221 und IPC-2152. Ermitteln Sie Widerstand, Spannungsabfall und Verlustleistung. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

Loading calculator...

Formel

A=(Ik⋅ΔTb)1/cA = \left(\frac{I}{k \cdot \Delta T^b}\right)^{1/c}

Referenz: IPC-2221B Section 6.2; IPC-2152

A— Querschnittsfläche (mil²) (mil²)
I— Aktuell (A)
ΔT— Temperaturanstieg gegenüber der Umgebungstemperatur (°C)
k,b,c— IPC-2221 empirische Koeffizienten

Wie es funktioniert

Der PCB Trace Width Calculator bestimmt die Mindestleiterbreite für die sichere Übertragung von DC/AC-Strom ohne übermäßigen Temperaturanstieg — unverzichtbar für Stromverteilungsnetze, Motortreiber und LED-Schaltungen. Ingenieure der Leistungselektronik nutzen dies, um ein Durchbrennen von Leiterbahnen zu verhindern, das auftritt, wenn die Stromdichte bei Standard-FR4 30-50 A/mm2 überschreitet.

Gemäß IPC-2152 (ersetzt IPC-2221) folgt die Leiterstromkapazität I = k x DeltaT^0,44 x A^0,725, wobei k eine Konstante ist (0,048 für externe Schichten, 0,024 für interne), deltaT ist der Temperaturanstieg in Celsius und A ist die Querschnittsfläche in Mils im Quadrat. Eine externe Leiterbahn aus 1 Unze Kupfer (35 um), die 3 A trägt, erfordert eine Breite von 1,0 bis 1,5 mm für einen Anstieg von 10 °C; interne Schichten benötigen aufgrund der um 50% reduzierten Kühlung 2 mm und mehr.

Der Temperaturanstieg geht mit der Umgebung einher: Bei einem Temperaturanstieg von 20 °C bei 25 °C Umgebungstemperatur werden 45 °C erreicht, bei 55 °C (Automobil) werden 75 °C erreicht — was sich dem Tg von FR4 von 130-170 °C nähert. Gemäß IPC-2152 Tabelle 5-1 sinkt die Stromkapazität bei 50 °C Umgebungstemperatur um 15% gegenüber 25 °C als Ausgangswert.

Das Kupfergewicht wirkt sich direkt auf die Kapazität aus: 2 Unzen Kupfer (70 um) leiten bei gleichem Temperaturanstieg 40% mehr Strom als 1 Unze, da sich die Querschnittsfläche verdoppelt, während die Oberflächenkühlfläche nur mit der Leiterbahnbreite zunimmt. Bei Hochstromausführungen (>5 A) ist die Verwendung von 2 Unzen Kupfer auf den Außenschichten gemäß IPC-2221B Abschnitt 6.2 die Standardpraxis.

Bearbeitetes Beispiel

Problem: Messen Sie eine Leiterbahn für 5 A kontinuierlich auf 4-lagigem FR4 (1 Unze externes Kupfer, 55 °C Umgebungstemperatur, 20 °C maximaler Temperaturanstieg, externe Schicht).

Lösung gemäß IPC-2152:

  1. Ziel: I = 5A, DeltaT = 20C, k = 0,048 (extern)
  2. Erforderlicher Bereich: A = (I/(k x DeltaT^0,44)) ^ (1/0,725) = (5/(0,048 x 20^0,44)) ^1,38 = (5/0,195) ^1,38 = 25,6^1,38 = 89,4 Meilen2
  3. In mm umrechnen: 89,4 mils2 = 57,7 mm2... warte, Einheiten: 89,4 mils2 mit einer Dicke von 1,4 mil (35 um) ergeben W = 89,4/1,4 = 64 mils = 1,63 mm
  4. Fügen Sie einen Spielraum von 25% für die Umgebungstemperatur hinzu: W = 1,63 x 1,25 = 2,0 mm
  5. Überprüfen Sie den Widerstand: R = 1,724e-8 x 0,1 m/(0,002 x 35e-6) = 24,6 mohm; P = 5^2 x 0,0246 = 0,62 W

Ergebnis: Verwenden Sie eine Leiterbahnbreite von 2 mm (80 mil). Spannungsabfall über 100 mm = 123 mV (2,5% der 5-V-Versorgung — akzeptabel für die meisten Designs).

Praktische Tipps

  • ✓Verwenden Sie 2 Unzen Kupfer für Stromleitungen > 3 A — verdoppelt die Stromkapazität und erhöht die Kosten gemäß IPC-2152, Tabelle 6-1, nur um 15%.
  • ✓Fügen Sie Kupfergüsse rund um die Stromleitungen hinzu — angrenzendes Kupfer erhöht die Wärmeverteilung und verbessert die effektive Stromkapazität um 10 bis 20%, wie aus Studien zur thermischen Simulation hervorgeht.
  • ✓Für Motor-/LED-Treiber: Größe für Spitzenstrom (oft 2—3 x kontinuierlich) mit einer Anstiegsgrenze von 30 °C, nicht für Durchschnittsstrom — verhindert Ermüdung durch Temperaturwechsel gemäß IPC-9701A.

Häufige Fehler

  • ✗Verwendung von IPC-2221-Diagrammen anstelle von IPC-2152 — ältere Diagramme unterschätzen die aktuelle Kapazität aufgrund konservativer Daten aus den 1950er Jahren um 20-40%. IPC-2152 (2009) verwendet moderne thermische Modellierung.
  • ✗Der Durchgangswiderstand im Strompfad wird ignoriert — ein 0,3-mm-Durchgang erhöht 1—3 MOhm; 10 in Reihe geschaltete Durchkontaktierungen können 30 mV hinzufügen, was bei 5 A zu einem Abfall von 150 mV führt, der die typische Reglergenauigkeit übersteigt.
  • ✗Berechnung bei 25 °C Umgebungstemperatur, wenn das Produkt bei 55-85 °C betrieben wird — gemäß IPC-2152: Verringern Sie die Stromkapazität um 3% pro 10 °C Umgebungsanstieg über 25 °C.

Häufig gestellte Fragen

IPC-2152 (2009) bietet Bahnstromkapazitätsdiagramme, die auf kontrollierten thermischen Tests basieren und die veralteten Daten von IPC-2221 aus den 1950er Jahren ersetzen. Wichtigstes Ergebnis: Bei gleichem Temperaturanstieg aufgrund der konvektiven Kühlung leiten externe Stromleitungen 40-60% mehr Strom als interne Leitungen. Der Standard deckt 0,5 Unzen bis 3 Unzen Kupfer und einen Temperaturanstieg von 5 °C bis 100 °C ab und beinhaltet eine Leistungsreduzierung bei erhöhter Umgebungstemperatur.
Aktuelle Kapazitätsskalen mit einer Fläche von ^0,725 pro IPC-2152. Die Verdoppelung von Kupfer (1 Unze auf 2 Unzen) erhöht die Kapazität um 2^0,725 = 65%, nicht um 100%, da sich auch der Wärmewiderstand ändert. Praktische Wirkung: Bei 2 Unzen Kupfer an der Außenseite sind 3 A in 0,8 mm Breite im Vergleich zu 1,5 mm für 1 Unze — entscheidend für Designs mit begrenztem Platzangebot wie Smartphone-Leiterplatten.
Der Temperaturanstieg erhöht die Umgebungstemperatur: Anstieg um 20 °C bei 25 °C Umgebungstemperatur = 45 °C, bei 85 °C Automobilumgebung = 105 °C — dies gefährdet die Zuverlässigkeit der Lötstelle (IPC-J-STD-001-Grenzwerte bei 125 °C) und nähert sich FR4 Tg. Darüber hinaus erhöht sich der spezifische Kupferwiderstand um 0,4% /C, sodass eine heiße Leiterbahn bei einem Anstieg von 20 °C einen um 8% höheren Widerstand hat, sodass bei hohen Strömen die Gefahr eines thermischen Durchfalls besteht.
Ja für FR4/CEM-3-Standardmaterialien mit Kupferspuren. Bei Leiterplatten mit Aluminiumkern (LED-Anwendungen) ist die Stromkapazität aufgrund der Wärmeverteilung auf dem Metallsubstrat 2—3 mal höher — verwenden Sie die Wärmedaten des Herstellers. Bei flexiblen Schaltungen sollte die Reduzierung aufgrund der geringeren Wärmeableitung gemäß IPC-2223 um 20-30% erfolgen. HDI-Platinen mit dünnen Dielektrika können aufgrund der näheren Kühlung der Grundplatte eine höhere Kapazität ermöglichen.
Gemäß IPC-2152 für einen Temperaturanstieg von 10 °C: 1 Unze externes Kupfer benötigt eine Breite von 1,0 bis 1,2 mm; 2 Unzen für außen benötigen Sie 0,6 bis 0,7 mm; 1 Unze internes benötigen 1,8 bis 2,2 mm. Bei einer Erhöhung um 20 °C (weniger konservativ): Reduzieren Sie die Breiten um 30% Fügen Sie für Fertigungstoleranzen und Schwankungen der Umgebungstemperatur immer einen Spielraum von 20% hinzu. Interne Schichten benötigen 80-100% breitere Leiterbahnen als externe Schichten bei gleichem Strom.
Häufige Ursachen gemäß IPC-2152 zur Fehlerbehebung: (1) Es fließt kein Kupfer in der Nähe — der Wärmeausbreitungsverlust erhöht die Temperatur um 15-25%. (2) Die Lötmaske fängt die Wärme ein — erhöht sich um 5-10 °C im Vergleich zu blankem Kupfer. (3) Durchkontaktierungen im Pfad — jeder erhöht den Widerstand und die lokale Erwärmung um 1—3 MOhm. (4) Die tatsächliche Kupferdicke liegt nach dem Ätzen um 20% unter dem Nennwert. (5) Die Umgebungsbedingungen sind höher als beim Entwurf angenommen. Lösung: Fügen Sie aus Gründen der Zuverlässigkeit eine Marge von 30-50% hinzu.
R = rho x L/(B x T). Für Kupfer (Rho = 1,724e-8 Ohm-m), 1 Unze (35 um), 1 mm breit, 100 mm lang: R = 1,724e-8 x 0,1/(0,001 x 35e-6) = 49 Mohm. Bei 25 °C. Bei 85 °C Spurentemperatur: R steigt um 24% auf 61 mOhm. Bei einem Strom von 5 A: Spannungsabfall = 305 mV, Verlustleistung = 1,5 W über 100 mm — wahrscheinlich wird eine breitere Leiterbahn oder 2 Unzen Kupfer benötigt.

Verwandte Artikel

PCB Design

Mikrostreifenimpedanz: Theorie zum PCB-Layout

Ein praktischer Leitfaden zum Entwerfen von Mikrostreifenbahnen mit kontrollierter Impedanz auf Leiterplatten. Behandelt die Hammerstad-Jensen-Gleichungen, die Materialauswahl und die Herstellung.

RF Engineering

Mikrostreifenimpedanz: Die Mathematik hinter dem HF-Design

Meistern Sie die Berechnung der Mikrostreifenübertragungsimpedanz mit unserem umfassenden technischen Leitfaden und dem praktischen HF-Tool

PCB Design

Leiterplattenspurbreite: IPC-2221 vs IPC-2152

So berechnen Sie die Leiterbahnbreite für einen bestimmten Strom. Vergleicht die Standards IPC-2221 und IPC-2152, erklärt den Temperaturanstieg und deckt externe mit internen Standards ab.

Shop Components

As an Amazon Associate we earn from qualifying purchases.

PCB Manufacturing (JLCPCB)

Affordable PCB fabrication with controlled impedance options

JLCPCB →

FR4 Copper Clad Laminate

FR4 laminate sheets for custom PCB prototyping

Amazon →

Thermal Paste

Thermal interface material for component heat management

Amazon →

Verwandte Taschenrechner

RF

Mikrostreifen-Impedanz

Berechnen Sie die Mikrostreifenimpedanz mithilfe der Hammerstad-Jensen-Gleichungen. Holen Sie sich Z0, die effektive Dielektrizitätskonstante und die Ausbreitungsverzögerung für das PCB-Leiterbahndesign. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

PCB

Spurenresistenz

Berechnen Sie den Gleichstromwiderstand der Leiterplatte für Kupferspuren aus Breite, Länge, Dicke und Temperatur. Ermitteln Sie den Schichtwiderstand und den Temperaturkoeffizienten. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

PCB

Per Taschenrechner

PCB anhand von Impedanz, Kapazität, Induktivität und Stromkapazität berechnen. Rufen Sie das Seitenverhältnis und DFM-Warnungen für Durchkontaktierungen und Blinddurchkontaktierungen ab. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.

PCB

Differentialpaar

Berechnen Sie Zdiff und Zcommon für kantengekoppelte Mikrostreifenpaare. Entwerfen Sie USB-, HDMI- und Ethernet-Differentialpaare mit ungerade/gerader Modus-Impedanz. Kostenlose, sofortige Ergebnisse.