คำนวณความกว้างลายวงจร PCB

ความกว้างลายวงจร PCB กำหนดตาม IPC-2221 อย่างไร?

IPC-2221 ให้สูตรเชิงประสบการณ์คำนวณความกว้างลายวงจร PCB ขั้นต่ำที่ต้องการสำหรับกระแสที่กำหนดที่อุณหภูมิเพิ่มขึ้นที่ยอมรับได้ สูตรคำนวณพื้นที่หน้าตัดทองแดงที่ต้องการก่อน แล้วแปลงเป็นความกว้างลายวงจร

มาตรฐานแยกชั้นนอก (ผิว) กับชั้นใน เพราะลายวงจรภายในระบายความร้อนได้น้อยกว่า ถูกล้อมรอบด้วย FR-4 ลายวงจรภายในต้องการพื้นที่หน้าตัดประมาณ 2 เท่าของชั้นนอกสำหรับกระแสและอุณหภูมิเพิ่มเท่ากัน

สูตร IPC-2221 มาจากข้อมูลเชิงประสบการณ์และค่อนข้างอนุรักษ์นิยม IPC-2152 ที่ใหม่กว่าให้แผนภูมิอัปเดตจากการจำลองความร้อนครอบคลุม สำหรับการออกแบบความน่าเชื่อถือสูง ควรใช้ค่าลดเพิ่มเติมสำหรับระดับความสูง อุณหภูมิแวดล้อม และความร้อนจากลายวงจรข้างเคียง

Formula: A = (I / (k × ΔT^b))^(1/c) W = A / (T_cu × 1.378) k=0.048, b=0.44, c=0.725 (ชั้นนอก) k=0.024, b=0.44, c=0.725 (ชั้นใน) A: mils², T_cu: oz/ft²

ตัวอย่างการคำนวณ

3A บนชั้นนอก ทองแดง 1 oz อุณหภูมิเพิ่ม 10°C: A = (3 / (0.048 × 10^0.44))^(1/0.725) = 74.2 mils² ความกว้าง = 74.2 / (1.0 × 1.378) = 53.8 mils ≈ 1.37 mm ความกว้างขั้นต่ำแนะนำ 1.4 mm

เมื่อใดควรใช้เครื่องคำนวณนี้

• กำหนดความกว้างลายทองแดงขั้นต่ำสำหรับเส้นจ่ายไฟใน PCB layout
• ประเมินว่าการลดความกว้างลายทองแดงปลอดภัยหรือไม่
• เลือกน้ำหนักทองแดงตามความต้องการกระแส
• คำนวณแรงดันตกต่อนิ้วของลายทองแดง

ข้อผิดพลาดที่พบบ่อย

• ใช้สัมประสิทธิ์ชั้นนอกสำหรับ trace ภายใน — trace ภายในต้องการพื้นที่หน้าตัด ~2 เท่า
• ไม่สนใจการลดพิกัดอุณหภูมิในสภาพแวดล้อมร้อน
• มองข้ามการเปลี่ยนผ่าน via
• ใช้เครื่องคำนวณสำหรับกระแสพัลส์โดยไม่ปรับ

วิธีตีความผลลัพธ์

• ความกว้างที่ต้องการคำนวณจากสูตร IPC-2221 สำหรับกระแสที่เลือกและการเพิ่มของอุณหภูมิที่อนุญาต ชั้นในต้องการลายเส้นที่กว้างกว่าเพราะระบายความร้อนได้ด้อยกว่าชั้นนอก
• ทองแดงที่หนากว่า (2 oz เทียบกับ 1 oz) นำกระแสเท่าเดิมในลายเส้นที่แคบกว่า เป็นการแลกต้นทุนบอร์ดกับความหนาแน่นในการเดินสาย
• ความต้านทาน แรงดันตก และกำลังสูญเสียให้ไว้ต่อนิ้ว — คูณด้วยความยาวลายเส้นจริงเพื่อหาแรงดันตกรวม ซึ่งสำคัญที่สุดสำหรับการกระจายไฟเลี้ยงและกราวด์
• หากความกว้างที่คำนวณได้ไม่พอดีกับช่องเดินสาย ให้เพิ่มการเพิ่มของอุณหภูมิที่อนุญาต เพิ่มน้ำหนักทองแดง หรือแบ่งกระแสไปยังลายเส้นขนานหลายเส้น

มาตรฐานและเอกสารอ้างอิงที่เกี่ยวข้อง

• IPC-2221 — มาตรฐานทั่วไปสำหรับการออกแบบ PCB
• IPC-2152 — มาตรฐานกำหนดความสามารถในการรับกระแส
• IPC-2141 — คู่มือออกแบบวงจรควบคุมอิมพีแดนซ์ความเร็วสูง

คำถามที่พบบ่อย

ทำไมลายวงจรชั้นในต้องกว้างกว่าชั้นนอกสำหรับกระแสเดียวกัน?

ลายวงจรชั้นในฝังอยู่ใน FR-4 ที่มีค่านำความร้อนต่ำ (k ≈ 0.25 W/m·K) ชั้นนอกระบายความร้อนได้ดีกว่าด้วยการพาความร้อนสู่อากาศ ค่าสัมประสิทธิ์ชั้นใน IPC-2221 (k=0.024) เป็นครึ่งหนึ่งของชั้นนอก (k=0.048) ทำให้ต้องการพื้นที่หน้าตัดมากขึ้นราวสองเท่า

IPC-2221 ยังแม่นยำสำหรับการออกแบบ PCB สมัยใหม่หรือไม่?

IPC-2221 อนุรักษ์นิยมและเป็นที่ยอมรับ แต่อิงข้อมูลยุค 1950 IPC-2152 (2009) ให้แบบจำลองความร้อนอัปเดต สำหรับทองแดงหนา (>2 oz) บอร์ดหลายชั้น หรือ via ความร้อน IPC-2152 ให้ผลแม่นยำกว่า IPC-2221 ยังเป็นจุดเริ่มต้นที่ปลอดภัยสำหรับการออกแบบมาตรฐาน

ความหนาทองแดงมีผลต่อข้อกำหนดความกว้าง trace อย่างไร?

ทองแดงหนากว่า (2 oz, 3 oz) ช่วยให้ trace แคบกว่าส่งกระแสเท่ากันได้ การเพิ่มจาก 1 oz เป็น 2 oz ลดความกว้างที่ต้องการลงประมาณครึ่งหนึ่ง แต่เพิ่มต้นทุน PCB