Largura do traço de PCB: IPC-2221 vs IPC-2152

IPC-2221 vs IPC-2152: qual você deve usar?

Então você está dimensionando traços e se perguntando qual padrão seguir. Aqui está o acordo: IPC-2221 foi lançado em 1998, mas na verdade é baseado em medições de 1954. Sim, 1954. A fórmula é simples e conservadora:

O fator k é 0,048 para traços externos (aqueles expostos ao ar nas camadas superior ou inferior) e 0,024 para traços internos enterrados no empilhamento. ΔT é o aumento da temperatura em °C e A é a área da seção transversal em mil². Funciona, mas é excessivamente cauteloso para os padrões modernos.

IPC-2152 apareceu em 2009 e mudou o jogo. Na verdade, eles fizeram novos experimentos com materiais PCB modernos e empilhamentos de camadas, em vez de confiar em dados da era Eisenhower. O resultado? Você pode usar traços mais estreitos para a mesma corrente ou empurrar mais corrente pela mesma largura de traçado. Para algo como um traçado externo de 10 A com um aumento de 10° C, o IPC-2152 permite que você escape com um traço aproximadamente 30 a 40% mais estreito do que o que o IPC-2221 exige. Esse é o espaço real do tabuleiro que você está recuperando. Para novos designs, use IPC-2152. Ponto final. A única razão para entrar em contato com o IPC-2221 é se você estiver lidando com um cliente ou órgão de certificação que o chama especificamente pelo nome em seus requisitos. Caso contrário, você está apenas desperdiçando imóveis em cobre e papelão.

Orçamento de aumento de temperatura

Seu rastreamento não existe no vácuo (bem, a menos que você esteja fazendo hardware espacial). A temperatura real que atinge é a temperatura ambiente mais qualquer aumento que sua corrente cause:

O FR4, que é o que a maioria de nós usa, tem uma temperatura de transição vítrea (Tg) entre 130° C e 170° C, dependendo do grau. Você realmente não quer chegar perto de Tg — a placa começa a ficar macia e coisas estranhas acontecem mecanicamente. Fique pelo menos 20° C abaixo dela, mais se puder.

É aqui que fica complicado. Digamos que você esteja projetando algo que fica dentro de um gabinete com outras coisas geradoras de calor. Seu ambiente pode ser de 70° C, não os 25° C em que você está acostumado a pensar. Se a Tg da sua placa for de 130° C e você mantiver essa margem de segurança de 20° C, sua temperatura máxima de rastreamento é de cerca de 110° C. Isso deixa você com apenas 40° C de orçamento de aumento de temperatura para trabalhar. Não há muito espaço livre.

A maioria dos engenheiros visa atingir essas metas, dependendo da aplicação:

• Eletrônicos de consumo: aumento de 10°C — mantém as coisas frescas ao toque e maximiza a confiabilidade
• Equipamento industrial: aumento de 20—30° C — ainda razoável, os componentes são classificados para isso
• Eletrônica de potência: aumento de 30 a 40° C — você está exagerando, mas às vezes precisa de cada milímetro de espaço na placa

Essas não são regras rígidas, apenas o que tende a funcionar na prática. Já vi projetos de fontes de alimentação que aceitam um aumento de 50° C em segmentos curtos porque a massa térmica é baixa e isso não importa. O contexto é tudo.

Camadas externas versus internas

É aqui que as pessoas costumam se surpreender. Os traços internos — aqueles colocados entre as camadas da sua pilha — ficam significativamente mais quentes do que os traços externos que transportam a mesma corrente. Por quê? Dissipação de calor.

Traços externos podem despejar calor diretamente no ar (ou em sua câmera térmica quando você está depurando por que algo está derretendo). Os traços internos são cercados pelo FR4, que é um péssimo condutor térmico. Estamos falando de 0,3 W/m·K para FR4 versus aproximadamente 150 W/m·k para cobre. O calor precisa passar por várias camadas de fibra de vidro e epóxi para escapar, e o faz de má vontade.

A fórmula IPC-2221 captura isso com esse fator*k*: 0,024 para interno versus 0,048 para externo. Essa é uma diferença de 2×. Na prática, os traços internos precisam de aproximadamente o dobro da área da seção transversal para transportar a mesma corrente com o mesmo aumento de temperatura. Se você calculou um traço externo de 20 mil, planeje 40 milhas (ou mais) se precisar roteá-lo internamente.

A maioria dos engenheiros tenta manter caminhos de alta corrente nas camadas externas sempre que possível. Se você realmente precisar direcionar a energia para uma camada interna, seja generoso com a largura. Já depurei placas suficientes em que alguém presumiu que as internas e as externas eram equivalentes — elas não são, e seu nariz dirá quando você as ligar.

Peso e seção transversal de cobre

O peso do cobre é uma daquelas especificações que parecem simples até você começar a fazer as contas. A indústria usa onças por pé quadrado, o que é maravilhosamente pouco intuitivo. Veja o que isso realmente significa para suas dimensões de traço:

As fábricas de PCB padrão usam cobre de 1 onça por padrão. É barato, bem compreendido e funciona para a maioria das coisas. Mas veja essa tabela: passar de 1 onça para 2 onças dobra sua área transversal com a mesma largura de traço. Isso significa que você pode transportar o dobro da corrente (aproximadamente) sem ampliar o traço. Ou você pode reduzir pela metade a largura do traço para obter a mesma capacidade atual.

Para fontes de alimentação e controladores de motor, eu geralmente especifico cobre de 2 onças. O aumento de custo é mínimo, a menos que você esteja fazendo grandes produções, e oferece muito mais flexibilidade no roteamento. Cuidado com a largura e o espaçamento mínimos do traço — cobre mais espesso é mais difícil de gravar de forma limpa, então sua fabulosa casa pode recuar 4 mil traços com 2 onças de cobre.

Resistência e queda de tensão

Aqui está algo que irrita as pessoas: mesmo que seu traço permaneça termicamente feliz, você ainda pode ter um problema. A queda de tensão é real e proporcional à resistência:

A resistividade do cobre ρ é 1,72×10·m a 20°C e aumenta com a temperatura — o coeficiente α é 0,00393 por °C. Esse termo entre parênteses explica o aumento da resistência à medida que o traço se aquece.

Vamos analisar um exemplo real. Você tem um traço de 100 mm de comprimento, 1 mm de largura, usando cobre padrão de 1 onça. Você está empurrando 3A através dele. A área da seção transversal é de 1 mm × 0,035 mm = 3,5×10m². Insira os números:

• R = (1,72 × 10․ × 0,1)/(3,5 × 10․) = 0,049Ω
• V_drop = I × R = 3A × 0,049Ω = 0,15V
• P_loss = I² × R = 9 × 0,049 = 0,44W

São 0,15 V caídos em seu traço. Se você estiver operando um trilho de 3,3 V, acabou de perder 4,5% do seu orçamento de tensão antes mesmo de chegar à carga. Para um trilho de 5V, é mais tolerável, mas para qualquer coisa de precisão ou baixa tensão, é um problema.

A dissipação de energia é de 0,44W, o que não parece muito, mas está espalhada por uma pequena área. É isso que causa o aumento de temperatura que calculamos anteriormente. Traços longos de alta corrente precisam ser mais largos ou você precisa pular para 2 onças de cobre. Às vezes, os dois.

Dicas práticas

Ok, chega de teoria. Veja o que realmente funciona quando você está criando quadros:

Coloque cobre nos trilhos de alimentação em vez de traçados de roteamento. Sério. Um cobre de 10 mm de largura despejado a 1 onça pode facilmente lidar com 20 A ou mais com um aumento de menos de 5° C. Tem menor resistência, menor indutância e você não precisa se preocupar em calcular larguras para cada segmento. Basta inundar a área e terminar. Vejo pessoas roteando 100 mil traços de potência quando conseguiam inserir um polígono e ter um melhor desempenho com menos esforço. Use vias térmicas sob traços quentes para espalhar o calor. Se você tiver um traço de alta corrente em uma camada externa, coloque uma série de vias sob ela para puxar o calor para as camadas internas de cobre e espalhá-lo. Afaste-os a cada 0,5 a 1 mm ao longo do traçado. Use 10 ou 12 mil vias — quanto maior, melhor para transferência térmica. Isso é especialmente importante se o traçado for longo ou se você estiver se aproximando dos limites térmicos. Os planos internos de cobre atuam como um dissipador de calor. Verifique tudo com uma câmera infravermelha em seu primeiro protótipo. Não consigo enfatizar isso o suficiente. Todos esses cálculos pressupõem condições ideais: distribuição uniforme da corrente, sem fontes de calor adjacentes, fluxo de ar específico, espessura perfeita do revestimento de cobre. Placas reais são mais confusas. Esse traço pode ficar mais frio porque há um plano terrestre próximo atuando como um dissipador de calor, ou pode ficar mais quente porque está próximo a um regulador linear que está despejando 2W. A câmera infravermelha diz a verdade. A Flir cria um anexo de telefone que é bom o suficiente para a maioria dos trabalhos — eu tive tantos problemas com o meu que ele se pagou no primeiro projeto.

Mais uma coisa: se você estiver fazendo alguma coisa com corrente forte — acionamentos de motor, fontes de alimentação, carregamento de bateria — considere pedir à sua fábrica que faça uma análise transversal em sua primeira corrida. Eles cortarão sua prancha e medirão a espessura real do cobre e a geometria do traço. A espessura do revestimento varia, e esse cobre de 1 onça pode, na verdade, ser 0,9 onças ou 1,1 onças, dependendo de como o banho de revestimento estava funcionando naquele dia. Para projetos críticos, conhecer as dimensões reais é importante.

Calcule as dimensões do traçado com nossa Calculadora de largura de traço de PCB — ela mostra os resultados do IPC-2221 e do IPC-2152 lado a lado para que você possa ver a diferença e fazer uma escolha informada. Conecte sua corrente, aumento de temperatura e peso de cobre, e isso fornecerá a largura de traço de que você precisa. Muito mais rápido do que fazer as contas manualmente, e é fácil experimentar cenários diferentes para ver o que funciona melhor para seu layout.