Spurenbreite und Clearance-Berechnungen

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Was ist die Mathematik hinter Spuren und Freigabeberechnungen? Ich entwerfe eine Leiterplatte, die 12 V und 6 A führt. Was sollte die Leiterbahnbreite und der Leiterbahnabstand sein?

Ebenso, was sollte es für 12V 3A und 5V 3A sein. Gibt es eine allgemeine Faustregel, anhand derer wir die Breite und den Abstand der Spuren bestimmen können?

Rajat
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Vielleicht möchten Sie einen Blick auf den IPC-2221A-Standard werfen. Er enthält viele Empfehlungen zum PCB-Design, einschließlich Leiterbahnen und Abständen. Es gibt auch einen guten Artikel über Leiterplattenbreiten hier: Temperaturanstieg in Leiterplattenspuren von ultracad.com
Warren Hill

Antworten:

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Das sind eigentlich zwei getrennte Fragen. Es sind die Schaltungsspannungen, die die Spielanforderungen bestimmen, während die Strompegel die Anforderungen an Breite (und Dicke) bestimmen.

Trace-Breite

Bei letzterem wird zuerst die Breite und Dicke einer Kupferspur auf einer Leiterplatte bestimmt, die ihre Querschnittsfläche bestimmt, genau wie der Durchmesser eines normalen Drahtes. Die Querschnittsfläche bestimmt den Widerstand pro Längeneinheit. An diesem Punkt müssen Sie zwei Dinge entscheiden:

  • Wie viel Spannungsabfall (ΔV = I × R) können Sie von einem Ende der Spur zum anderen tolerieren?

  • Wie viel Erwärmung der Spur (Leistung = I 2 R) können Sie tolerieren?

Das eine oder andere davon ist der begrenzende Faktor für jede Spur.

Zum Beispiel könnten Sie "1 Unze" haben. Kupfer auf Ihrer Leiterplatte. Dies ist eine Kurzschreibweise für "1 Unze Kupfer pro Quadratfuß", was einer Dicke von 1,38 mil oder 0,035 mm entspricht. Eine Spur mit einer Breite von 0,254 mm (10 mil) hat also eine Querschnittsfläche von 13,8 mil 2, was in etwa einem AWG38-Draht entspricht. Es wird einen Widerstand von etwa 0,75 Ω / ft haben. und die Stromkapazität liegt in der Größenordnung von 10 s mA.

Um höhere Ströme zu verarbeiten, können Sie "2 oz" auswählen. Kupfer (0,070 mm dick) und verwenden Sie Spuren, die beispielsweise 2,54 mm breit sind. Dies ergibt eine Querschnittsfläche von 276 mil 2, was ungefähr einem AWG24-Draht entspricht.

Da die Leiterbahnen auf einer Leiterplatte sehr flach und breit sind, können sie die Wärme viel besser an die Umgebung abgeben als das entsprechende Kabel. Was die I 2 R-Verluste betrifft, können Sie viel mehr Strom durch eine Leiterplattenspur leiten - aber Sie müssen immer noch auf den Temperaturanstieg und das damit verbundene Wärmemanagement achten.

Spielraum

Der erforderliche Abstand zwischen den Leitern wird durch die Spannungsdifferenz zwischen ihnen und die Menge an Leckstrom bestimmt, die Sie tolerieren können. Der Leckstrom ist hauptsächlich mit einer Oberflächenverunreinigung der Leiterplatte verbunden (z. B. Restflussmittel sowie angesammelter Staub, Feuchtigkeit usw.).

Eine Richtlinie stammt von Sicherheitsprüfdiensten wie UL, die eine Kriechstrecke von 5 mm pro Kilovolt für Stromkreise erfordern, die voneinander "isoliert" sein sollen (Materialgruppe I, Verschmutzungsgrad 2 von UL840 ).

Offensichtlich gibt diese Richtlinie sehr kleine Werte für niedrige Spannungen (0,05 mm oder 0,002 Zoll bei 10 V) an, sodass der begrenzende Faktor tatsächlich die Linien- / Raumbreiten ist, zu denen Ihr PCB-Fabrikhaus in der Lage ist.

Dave Tweed
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Randnotiz: Manchmal sehen Sie eine Platine, auf der einige der mit Lötmittel aufgebauten Hochstromspuren vorhanden sind. Dies ist weniger effektiv als Sie vielleicht denken. Der spezifische Widerstand von Lot ist etwa zehnmal so hoch wie der von Kupfer, was bedeutet, dass Sie das Lot auf das zehnfache der Kupferdicke aufbauen müssten (0,35 mm auf 1 Unze Kupfer für die gesamte Breite der Leiterbahn). nur um den Widerstand zu halbieren.
Dave Tweed
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Neben Daves hervorragender Antwort möchten Sie vielleicht den IPC-2152-Standard betrachten, der den "Standard zur Bestimmung der Stromtragfähigkeit im Leiterplatten-Design" definiert.

Der einzige Industriestandard zur Bestimmung geeigneter interner und externer Leitergrößen auf Leiterplatten in Abhängigkeit von der erforderlichen Stromtragfähigkeit und dem akzeptablen Anstieg der Leitertemperatur. Dieses Dokument enthält Anleitungen dazu, wie Wärmeleitfähigkeit, Durchkontaktierungen, Kupferebenen, Verlustleistung sowie Leiterplattenmaterial und -dicke die Beziehung zwischen Strom, Leitergröße und Temperatur beeinflussen. 97 Seiten. Veröffentlicht im August 2009.

Es kann hier erworben werden.

Es gibt jedoch praktische Taschenrechner wie das Saturn PCB Toolkit

KarlKarlsom
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