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Calculateur de largeur de trace PCB (IPC-2221/IPC-2152)

Calculez la largeur minimale des traces de PCB pour un courant, un poids de cuivre et une élévation de température donnés conformément aux normes IPC-2221 et IPC-2152. Inclut la résistance et la chute de tension.

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Formule

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

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

A— Surface transversale (mil²) (mil²)
I— Actuel (A)
ΔT— Augmentation de la température au-dessus de la température ambiante (°C)
k,b,c— Coefficients empiriques IPC-2221

Comment ça marche

Le calculateur de largeur de trace PCB détermine la largeur minimale des conducteurs pour transporter en toute sécurité le courant DC/AC sans augmentation excessive de la température, ce qui est essentiel pour les réseaux de distribution électrique, les pilotes de moteurs et les circuits LED. Les ingénieurs en électronique de puissance l'utilisent pour éviter l'épuisement des traces qui se produit lorsque la densité de courant dépasse 30 à 50 A/mm2 sur le FR4 standard.

Selon la norme IPC-2152 (remplace la norme IPC-2221), la capacité de courant de trace est la suivante : I = k x DeltaT^0,44 x A^0,725, où k est une constante (0,048 pour les couches externes, 0,024 pour les couches internes), DeltaT est l'élévation de température en degrés Celsius et A est la surface de la section transversale en mils carrés. Une trace externe en cuivre de 1 oz (35 um) portant 3A nécessite une largeur de 1,0 à 1,5 mm pour une augmentation de 10 °C ; les couches internes ont besoin de plus de 2 mm en raison d'un refroidissement réduit de 50 %.

L'élévation de température s'ajoute à la température ambiante : une augmentation de 20 °C à 25 °C atteint 45 °C, mais à 55 °C, la température ambiante (automobile) atteint 75 °C, soit près de la Tg de 130 à 170 °C du FR4. Selon le tableau 5-1 de la norme IPC-2152, la capacité actuelle diminue de 15 % à une température ambiante de 50 °C par rapport à une température de référence à 25 °C.

Le poids du cuivre a un impact direct sur la capacité : le cuivre de 2 oz (70 um) transporte 40 % de courant en plus que 1 oz à la même augmentation de température, car la section transversale double tandis que la zone de refroidissement de surface n'augmente que selon la largeur de la trace. Pour les conceptions à courant élevé (>5A), le cuivre de 2 oz sur les couches externes est une pratique standard conformément à la section 6.2 de la norme IPC-2221B.

Exemple Résolu

Problème : dimensionnez une trace pour 5A en continu sur du FR4 à 4 couches (cuivre externe 1 oz, température ambiante 55 °C, élévation de température maximale de 20 °C, couche externe).

Solution conforme à la norme IPC-2152 :

  1. Cible : I = 5A, deltaT = 20 °C, k = 0,048 (externe)
  2. Surface requise : 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 mils2
  3. Convertir en mm : 89,4 mils2 = 57,7 mm2... attendez, unités : 89,4 mils2 avec 1,4 mil (35 um) d'épaisseur donnent W = 89,4/1,4 = 64 mils = 1,63 mm
  4. Ajoutez une marge de 25 % pour la température ambiante : L = 1,63 x 1,25 = 2,0 mm
  5. Vérifiez la résistance : 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
Résultat : utilisez une largeur de trace de 2 mm (80 mil). Chute de tension supérieure à 100 mm = 123 mV (2,5 % de l'alimentation 5 V, acceptable pour la plupart des modèles).

Conseils Pratiques

  • ✓Utilisez du cuivre de 2 oz pour les traces de puissance supérieures à 3 A. Cela double la capacité de courant pour une augmentation des coûts de seulement 15 %, conformément à la recommandation du tableau 6-1 de la norme IPC-2152.
  • ✓Ajoutez du cuivre autour des traces d'alimentation : le cuivre adjacent augmente la propagation de la chaleur et améliore la capacité de courant effective de 10 à 20 % selon les études de simulation thermique.
  • ✓Pour les pilotes de moteur/LED : taille adaptée au courant de pointe (souvent 2 à 3 fois en continu) avec une limite de hausse de 30 °C, et non au courant moyen, évite la fatigue due aux cycles thermiques conformément à la norme IPC-9701A.

Erreurs Fréquentes

  • ✗En utilisant les cartes IPC-2221 au lieu des cartes IPC-2152, les anciennes cartes sous-estiment la capacité actuelle de 20 à 40 % en raison de données prudentes des années 1950. L'IPC-2152 (2009) utilise une modélisation thermique moderne.
  • ✗Ignorer la résistance via le trajet du courant : un via de 0,3 mm ajoute 1 à 3 mohm ; 10 vias en série peuvent ajouter 30 mohm, provoquant une chute de 150 mV à 5 A qui dépasse la précision typique du régulateur.
  • ✗Calculer à une température ambiante de 25 °C lorsque le produit fonctionne à une température de 55 à 85 °C, conformément à la norme IPC-2152, réduire la capacité de courant de 3 % par augmentation ambiante de 10 °C au-dessus de la valeur de référence de 25 °C.

Foire Aux Questions

L'IPC-2152 (2009) fournit des graphiques de capacité de courant de trace basés sur des tests thermiques contrôlés, remplaçant les données obsolètes des années 1950 de l'IPC-2221. Principale constatation : les traces externes transportent 40 à 60 % de courant en plus que les traces internes à la même augmentation de température en raison du refroidissement par convection. La norme couvre le cuivre de 0,5 oz à 3 oz, une élévation de température de 5 °C à 100 °C et inclut le déclassement en cas de température ambiante élevée.
La capacité actuelle évolue avec une superficie de 0,725 selon la norme IPC-2152. Le doublement du cuivre (1 oz à 2 oz) augmente la capacité de 2 ^ 0,725 = 65 %, et non de 100 %, car la résistance thermique change également. Impact pratique : le cuivre externe de 2 oz contient 3 A sur une largeur de 0,8 mm, contre 1,5 mm pour 1 oz, ce qui est essentiel pour les conceptions à espace restreint, comme les circuits imprimés des smartphones.
L'augmentation de la température s'ajoute à la température ambiante : hausse de 20 °C à 25 °C à température ambiante = 45 °C à l'état de trace ; à 85 °C, température ambiante automobile = 105 °C, risque de compromettre la fiabilité des joints de soudure (limites IPC-J-STD-001 à 125 °C) et approche le FR4 Tg. De plus, la résistivité du cuivre augmente de 0,4 % /C, de sorte qu'une trace chaude présente une résistance 8 % plus élevée à une augmentation de 20 °C, ce qui crée un risque d'emballement thermique à des courants élevés.
Oui pour les matériaux standard FR4/CEM-3 présentant des traces de cuivre. Pour les PCB à noyau en aluminium (applications LED), la capacité de courant est 2 à 3 fois plus élevée en raison de la propagation de la chaleur sur le substrat métallique. Utilisez les données thermiques du fabricant. Pour les circuits flexibles, diminuez de 20 à 30 % en raison de la réduction de la dissipation thermique conformément à la norme IPC-2223. Les cartes HDI dotées de diélectriques minces peuvent permettre une capacité plus élevée en raison d'un refroidissement plus rapproché du plan de masse.
Selon IPC-2152 pour une augmentation de température de 10 °C : 1 oz de cuivre externe nécessite 1,0 à 1,2 mm de largeur ; 2 oz externes ont besoin de 0,6 à 0,7 mm ; 1 oz interne a besoin de 1,8 à 2,2 mm. Pour une hausse de 20 °C (moins prudente) : réduisez les largeurs de 30 %. Ajoutez toujours une marge de 20 % pour la tolérance de fabrication et les variations de température ambiante. Les couches internes ont besoin de traces 80 à 100 % plus larges que les couches externes au même courant.
Causes courantes selon le dépannage de la norme IPC-2152 : (1) Aucune coulée de cuivre à proximité, la perte de chaleur augmente la température de 15 à 25 %. (2) Le masque de soudure retient la chaleur et ajoute 5 à 10 °C par rapport au cuivre nu. (3) Vias sur le trajet : chacun ajoute une résistance de 1 à 3 mohm et un chauffage local. (4) L'épaisseur réelle du cuivre est inférieure de 20 % à la valeur nominale après gravure. (5) Ambiance supérieure à l'hypothèse de conception. Solution : ajouter une marge de 30 à 50 % pour plus de fiabilité.
R = droite x L/(L x T). Pour le cuivre (rho = 1,724e-8 ohm-m), 1 oz (35 um), 1 mm de large, 100 mm de long : R = 1,724e-8 x 0,1/(0,001 x 35e-6) = 49 mohm. À 25 °C. À une température de trace de 85 °C : R augmente de 24 % pour atteindre 61 mohm. Pour un courant de 5 A : chute de tension = 305 mV, dissipation de puissance = 1,5 W sur 100 mm. Il faut probablement une trace plus large ou 2 oz de cuivre.

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