Расчет ширины печатного проводника в зависимости от тока

Справочная информация

Максимально допустимое повышение температуры проводника есть разность между максимальной рабочей температурой материала основания платы и температурой окружающей среды. Так, например, эпоксидный стеклотекстолит типа FR4 способен выдерживать температуру до 130°С. Однако вследствие размягчения и обесцвечивания материала, возникающих при этой температуре, максимально допустимая рабочая температура, на которую следует ориентироваться при конструировании, не должна превышать 105 °С. Если максимальная температура окружающей среды 35 °С, а температура внутри аппаратуры на 10 °С выше, максимально допустимая температура нагрева проводника составит 60°С. Следует, однако, иметь в виду, что контактные площадки, соединенные с горячим проводником, будут иметь примерно ту же температуру вследствие кондуктивного теплопереноса. Чувствительные к тепловым воздействиям элементы, припаянные к этим контактным площадкам, также будут подвергаться тепловому воздействию, поэтому для элементов с малым уровнем рассеиваемой мощности эти контактные площадки и проводники не могут быть использованы в качестве теплоотвода.

Кроме того, сторона монтажа платы подвергается локальному нагреву, который также может оказать нежелательное воздействие на навесные элементы. Допустимое повышение температуры поэтому должно быть ограничено 20 °С, и соответственно ширина проводника должна быть увеличена, чтобы это можно было обеспечить. Существуют выработанные практикой ограничения ширины проводников, например полезная площадь платы может быть ограничена; большая площадь медного покрытия на плате может вызвать затруднения при автоматической пайке и т. п. Поэтому ширину проводника следует ограничить до 10—12 мм, а если необходимо, то следует применять более толстую медную фольгу, например 70 мкм, что позволит уменьшить ширину проводников. Некоторые изготовители печатных плат избегают применения толстой медной фольги из-за большого подтрава, возникающего при травлении, они предпочитают работать с более тонкой фольгой, например 35 мкм, а затем наращивать проводник по толщине путем нанесения покрытия. Обычно толщина проводников не является критическим параметром, и если для обеспечения пропускания значительных токов требуется толщина, большая, чем обычно, это должно быть обозначено в чертеже.

Для печатных плат с покрытием под толщиной меди понимается ее полная толщина, которая может меняться в широких пределах допусков на толщину покрытия. Так как такой допуск часто может быть от 0 до +100 %, целесообразно его ужесточить хотя бы до + 50%. Если на поверхности меди нанесено покрытие, следует учитывать его влияние на изменение условий охлаждения. В некоторых технических условиях, например в M1L-STD-275C, приведены соответствующие поправочные коэффициенты. Отправной точкой расчета для конструктора печатных плат является номинальная сила тока, протекающего по проводнику; однако представляется более правильным обращаться к кривым, пользуясь приведенным значением тока. Это значение можно получить путем умножения номинального значения тока на поправочный коэффициент, равный 100/(100 — α), где α — изменение номинального тока в процентах.

Для платы с покрытием припоем или для платы после автоматической пайки процентное изменение номинала равно 30%; при этом поправочный коэффициент по току будет 1,42. Если плата покрыта изолирующим слоем или защитной маской для пайки, изменение номинального тока составит 15 %, что соответствует поправочному коэффициенту 1,18. Если толщина слоя меди 105 мкм или более, дополнительное изменение номинального тока составит 15 %, что даст поправочный коэффициент 1,18. Если толщина материала основания платы 0,8 мм или менее, изменение номинального тока 15 %, что даст поправочный коэффициент 1,18.

Если имеется риск выхода из строя какого-либо элемента, например конденсатора, и при этом через проводник в течение какого-то времени будет течь ток короткого замыкания, проводник может сгореть. Критические участки проводников должны быть рассмотрены в отношении возможных токов короткого замыкания, и ширина проводников должна быть выбрана из расчета максимально допустимого повышения температуры — приблизительно 100 °С. Обычно плавкий предохранитель источника питания сгорает за более короткое время, чем время, в течение которого проводник может выдержать ток короткого замыкания без повреждения.