Ширина дорожки под ток

Почему дорожка греется

Дорожка — это проводник с небольшим сопротивлением (урок 1.2). Ток через неё выделяет тепло: P = I²·R (урок 1.3). Тепло уходит в воздух и в стеклотекстолит. Когда выделение и отвод тепла уравниваются, дорожка устанавливается на какой-то температуре выше окружающей. Этот перегрев ΔT и ограничивает ток.

Аналогия: садовый шланг. Через тонкий шланг можно прокачать много воды, но давление на нём сильно упадёт, а сам шланг будет «работать на износ». Толстый шланг пропустит тот же поток спокойно.

Рис. 5.4. Дорожка в разрезе. Ток ограничен нагревом, а нагрев определяется площадью сечения A = w·t. Толщину t задаёт медь платы (обычно 35 мкм = 1 oz), поэтому регулируем ширину w. Тепло уходит вверх в воздух и вбок в стеклотекстолит — внешняя дорожка охлаждается лучше внутренней.

Толщину меди t выбирают при заказе платы: стандарт 35 мкм (1 oz/фут²), бывает 18 мкм (0,5 oz) и 70 мкм (2 oz). Поэтому на практике мы подбираем ширину w.

IPC-2221: формула и графики

Стандарт IPC-2221 (и его ревизия IPC-2221B) приводит графики «ток — сечение — перегрев», построенные по испытаниям середины прошлого века. Для расчётов используют аппроксимацию этих графиков:

I = k · ΔT^0,44 · A^0,725

где I — ток, А; ΔT — допустимый перегрев, °C; A — площадь сечения, mil² (1 mil = 0,0254 мм); k = 0,048 для внешних слоёв и 0,024 для внутренних. Из площади делением на толщину меди получаем ширину.

Не считай вручную, для этого есть калькулятор:

Ширина дорожки по току (IPC-2221)

Ток I, АДопустимый перегрев ΔT, °C10 °C — осторожно, 20–30 °C — обычноДлина дорожки, ммдля расчёта падения напряжения

Внешний слойВнутренний слой

Минимальная ширина

—

То же в mil

—

Сечение

—

Сопротивление / падение U

—

Потери мощности

—

Формула IPC-2221 (ревизии B и C): I = k·ΔT^0,44·A^0,725, k = 0,048 (внешний) / 0,024 (внутренний), A — сечение в mil². Это минимум по нагреву, а не рекомендация. Новый стандарт IPC-2152 точнее, особенно для внутренних слоёв. Окончательную ширину сверяй с технологическими нормами производителя и добавляй запас.

Посчитанные этим калькулятором ширины для внешнего слоя с медью 35 мкм (минимум по нагреву, без запаса):

Ток	ΔT = 10 °C	ΔT = 20 °C	ΔT = 30 °C
0,5 А	0,12 мм	0,08 мм	0,06 мм
1 А	0,30 мм	0,20 мм	0,15 мм
2 А	0,78 мм	0,51 мм	0,40 мм
3 А	1,37 мм	0,90 мм	0,70 мм
5 А	2,77 мм	1,82 мм	1,42 мм

Для внутреннего слоя IPC-2221 даёт вдвое меньший коэффициент k, и ширина получается в 2,6 раза больше: для 1 А при ΔT = 10 °C — 0,78 мм.

💡Совет

Для учебных плат практичное правило: считай по IPC-2221 для внешнего слоя при ΔT = 10–20 °C и округляй вверх. Если место позволяет, делай питание шире расчёта. Лишняя медь никому не мешает, а вот перегретая дорожка — да.

IPC-2152: что изменилось

В 2009 году вышел стандарт IPC-2152, построенный на новых измерениях. Главное, что в нём учтено:

• внутренние слои при одинаковых условиях не в два раза хуже внешних, как следует из IPC-2221. Стеклотекстолит вокруг проводит тепло, и для внутренних слоёв старый стандарт заметно перестраховывается;
• результат сильно зависит от окружения: толщины платы, наличия сплошных медных слоёв (они работают как радиатор), соседних горячих дорожек, материала платы;
• основные графики даны для «худшего случая» — платы без полигонов, а для реальной конструкции предлагаются поправочные коэффициенты.

Итог: IPC-2221 для внешних слоёв даёт разумные и обычно консервативные значения, а для внутренних — сильно завышенные. Для двухслойных учебных плат разница несущественна. Для многослойных силовых плат и токов в десятки ампер пользуются IPC-2152, тепловым моделированием и рекомендациями завода.

Вторая проверка — падение напряжения

Дорожка может не перегреваться, но «съедать» напряжение. Калькулятор выше считает и сопротивление: для 0,3 мм × 50 мм при 1 А это около 0,09 Ом и 90 мВ падения. Для питания 3,3 В это почти 3 %. Если важна точность питания (аналоговая часть, низковольтные процессоры), считай ширину и по допустимому падению напряжения, а не только по нагреву.

📖Из учебникагл. 1, §1.02, с. 10

Всё сводится к двум формулам из первой главы: R = ρ·L/S даёт сопротивление дорожки, а P = I²·R — мощность, которая в ней выделяется. Стандарты IPC лишь говорят, какую мощность на единицу длины дорожка может отдать в окружающую среду при заданном перегреве.

🛠Особенность Altium

Ширину дорожек задаёт правило Width (категория Routing) — минимум, предпочтительное значение и максимум. Для цепей питания создают отдельное правило с большей шириной и более высоким приоритетом, чем общее. При интерактивной трассировке клавиша 3 переключает ширину между значениями правила. Толщина меди задаётся в стеке слоёв (Layer Stack Manager, урок 9.2).

🧯 Типичные ошибки

Ширину для внутреннего слоя посчитали как для внешнего

Почему По IPC-2221 внутренний слой охлаждается хуже, и формула для него другая (k = 0,024).

Как исправить Выбирай в калькуляторе правильный слой. Для серьёзных внутренних токов сверяйся с IPC-2152.

Дорожка рассчитана на ток, а в узком месте у разъёма её сузили до 0,2 мм

Почему Цепь нагружена по всей длине, и самое узкое место греется сильнее всего.

Как исправить Сохраняй ширину по всей цепи. У мелких выводов сужайся только на последних миллиметрах и дублируй путь полигоном.

Посчитали только нагрев, а питание «проседает»

Почему Длинная тонкая дорожка даёт заметное падение напряжения, хотя и не перегревается.

Как исправить Проверь падение напряжения по длине цепи (поле «Длина» в калькуляторе), при необходимости расширь дорожку или используй полигон.

Проверь себя

1. 1. Что физически ограничивает ток, который выдерживает дорожка?

   Ширина площадок компонентовНагрев дорожки выделяющейся мощностью I²RЦвет паяльной маски
2. 2. По IPC-2221 при одинаковом токе дорожка на внутреннем слое должна быть…

   уже, чем на внешнемтакой жешире, чем на внешнем
3. 3. Чем IPC-2152 отличается от IPC-2221?

   Ничем, это одно и то жеПостроен на новых измерениях и учитывает толщину платы, полигоны и окружение; для внутренних слоёв обычно допускает более узкие дорожкиОн про зазоры, а не про ток
4. 4. Дорожка не перегревается, но питание на конце цепи заметно ниже. В чём дело?

   Сопротивление дорожки даёт падение напряжения I·RПлохой припойНеверный цвет маски

🎯Практическое задание~20 мин

Плата питается от USB (5 В, до 2 А) и раздаёт ток на двигатель. Длина цепи питания от разъёма до драйвера — 60 мм. Посчитай калькулятором минимальную ширину для внешнего слоя с медью 35 мкм при ΔT = 10 °C и падение напряжения на дорожке. Затем выбери ширину с запасом и обоснуй выбор. Как изменится результат с медью 70 мкм?