Dobór szerokości ścieżek na PCB jest często traktowany jako prosta czynność wykonywana „na oko”. Tymczasem w przypadku obwodów zasilania czy sterowania obciążeniami, taka decyzja projektowa powinna być podjęta po uwzględnieniu prądu, temperatury, warstwy, grubości miedzi, długości połączenia czy wreszcie dopuszczalnego spadku napięcia bądź impedancji charakterystycznej. Zbyt wąska ścieżka nie musi od razu ulec uszkodzeniu, ale może pracować w warunkach zagrażających integralności PCB. Z kolei bezrefleksyjne przewymiarowanie ścieżek utrudnia routing, pogarsza separację sygnałów i może wymuszać większą płytkę.
Podstawowa postać pytania, z którym można spotkać się chociażby na popularnych forach internetowych, brzmi:
Jaka szerokość ścieżki dla prądu 1 A?
Tymczasem doświadczony konstruktor najpierw zadaje sobie szereg pytań pomocniczych:
Jakie będzie maksymalne natężenie prądu (ciągłe i szczytowe)?
Na której warstwie ma być prowadzona ścieżka?
Jaka jest grubość miedzi na tej warstwie?
Jaki jest dopuszczalny wzrost temperatury?
Jaki spadek napięcia na ścieżce jest akceptowalny?
Aby ułatwić uzyskanie konkretnych odpowiedzi na tego typu pytania, w tym wpisie zebraliśmy dla Was pięć podstawowych zasad, które pozwalają dobrać szerokość ścieżek w sposób inżynierski, a nie wyłącznie intuicyjny.
1. Zacznij od prądu i dopuszczalnego przyrostu temperatury
Popularny wzór wywodzący się z międzynarodowej normy IPC-2221 ma postać:
gdzie:
I – prąd [A], ΔT – dopuszczalny przyrost temperatury [°C], A – przekrój ścieżki w [mil²], k – stała (typowo wynosząca 0,048 dla warstw zewnętrznych i 0,024 dla warstw wewnętrznych).
Po przekształceniu wzoru otrzymujemy:
Szerokość W ścieżki, wyrażoną w milsach, można policzyć ze wzoru:
gdzie d to grubość warstwy miedzi [mil].
Dla miedzi 1 oz, czyli o grubości około 35 µm (1,38 mil), przy założeniu ΔT = 10°C, wzór daje orientacyjnie:
- 1 A na warstwie zewnętrznej: około 0,30 mm (12 mil),
- 2 A na warstwie zewnętrznej: około 0,78 mm (31 mil),
- 3 A na warstwie zewnętrznej: około 1,37 mm (54 mil),
- 1 A na warstwie wewnętrznej: około 0,78 mm (31 mil).
Nie jest to ostateczna reguła projektowa, ale podane wartości stanowią doskonały punkt wyjścia do świadomego projektowania PCB.
Warto wiedzieć, że zapisy normy IPC-2221 dotyczące szerokości ścieżek są uważane za dość konserwatywne, zwłaszcza w kontekście nowszego standardu IPC-2152, który uwzględnia także zależność rzeczywistej temperatury ścieżki od sąsiednich płaszczyzn miedzi, grubości dielektryka, skuteczności wymiany ciepła i warunków otoczenia (np. praca w powietrzu lub próżni).
2. Sprawdź nie tylko nagrzewanie, ale też spadek napięcia
Ścieżka może być termicznie akceptowalna, a jednocześnie wprowadzać do obwodu zbyt duży spadek napięcia. Jest to szczególnie istotne przy niskich napięciach zasilania (na poziomie 1,2 V czy 1,8 V) oraz w torach przenoszących duże prądy impulsowe. Rezystancję ścieżki można oszacować ze wzoru:
gdzie ρ dla miedzi wynosi około 1,72 · 10-5 [Ω ·mm], L to długość ścieżki [mm], W – szerokość ścieżki [mm], a d – grubość miedzi [mm].
Przykład: ścieżka o długości 100 mm, szerokości 1 mm i grubości 35 µm ma rezystancję około 49 mΩ. Przy prądzie 2 A oznacza to spadek napięcia około 98 mV i stratę mocy około 0,2 W. W układzie sterowania silnikiem 12–woltowym taka strata może być pomijalna, ale przy zasilaniu rdzenia FPGA lub procesora… już niekoniecznie.
3. Traktuj ścieżkę zasilającą jak element układu termicznego
Taka sama ścieżka o danej szerokości, poprowadzona na zewnętrznej warstwie PCB, zachowa się inaczej, jeśli znajdzie się przy dużym polu GND, a inaczej, gdy biegnie samotnie przez pusty obszar płytki pozbawiony miedzi. Dlatego dla prądów rzędu kilku amperów warto unikać „wąskich gardeł” i zamiast długich, samotnych połączeń stosować m.in.:
- polygony dla linii zasilających,
- równoległe prowadzenie prądu na dwóch warstwach,
- przelotki termiczne i prądowe łączące pola miedzi o tym samym potencjale,
- lokalne poszerzenia przy złączach, bezpiecznikach, MOSFET-ach dużej mocy czy dławikach (np. w postaci tzw. teardropów),
- miedź o grubości 2 oz (70 µm) lub 3 oz (105 µm), jeśli wymaga tego bilans mocy.
4. Uwzględnij technologię produkcji, ale nie projektuj na granicy możliwości
Typowe, prototypowe płytki drukowane bez problemu obsługują ścieżki o szerokości rzędu 0,15–0,20 mm (6–8 mil), a wielu producentów oferuje także jeszcze mniejsze geometrie. Nie warto jednak nadużywać minimalnej szerokości. Dla propagacji relatywnie wolnych sygnałów cyfrowych czy analogowych szerokość rzędu 0,15 mm będzie zwykle w zupełności wystarczająca, ale dla wszelkich linii zasilających, ścieżek prowadzących do złączy, punktów testowych czy połączeń narażonych na poprawki serwisowe, warto projektować layout z odpowiednio większym zapasem.
Dobra praktyka projektowa jest następująca: przyjmij, że minimalna szerokość z reguł DRC (Design Rule Check w programach EDA) będzie wartością technologiczną, ale nie domyślną szerokością całego projektu. Warto wprowadzić osobne klasy sieci dla zasilania, sygnałów logicznych, par różnicowych, linii wysokiego napięcia czy ścieżek wysokoprądwych. Pozwala to uniknąć sytuacji, w której cały layout lub jego zbyt duża część przypadkowo powstaje na granicy możliwości fabryki PCB, z którą współpracujemy.
5. Nie zapominaj o kontroli impedancji
Szczególny przypadek to ścieżki o kontrolowanej impedancji: USB, Ethernet, LVDS, HDMI, szybkie (Q)SPI czy też wszelkie obwody radiowe (RF). Tam szerokość wynika najczęściej z szerokości odstępów izolacyjnych pomiędzy ścieżką a polygonem masy, a także z szeregu parametrów stosu warstw PCB: grubości dielektryka, stałej εr laminatu, grubości miedzi, a nawet parametrów soldermaski. Szerokość takich ścieżek krytycznych należy zawsze zweryfikować z użyciem odpowiednich wzorów lub – lepiej – gotowych, sprawdzonych kalkulatorów (wzory są dość złożone i łatwo o pomyłkę, jeśli próbujemy liczyć „na piechotę”).
Podsumowanie
Dobór szerokości ścieżki powinien zaczynać się od ustalenia warunków pracy: prądu, maksymalnego dopuszczalnego przyrostu temperatury i grubości miedzi, ale nie zawsze to wystarczy. W praktycznym projekcie równie ważne są spadki napięcia, długości połączeń, warunki chłodzenia przez otaczającą miedź, rozmieszczenie przelotek, ograniczenia produkcyjne czy wreszcie wymagania dotyczące odstępów i impedancji. Kalkulatory IPC-2221 są użytecznym punktem startowym, ale dla ścieżek wysokoprądowych czy projektów o podwyższonej niezawodności lepiej traktować je jako pierwsze przybliżenie. Ostateczna geometria powinna wynikać ze świadomego kompromisu między bilansem strat, wynikami analizy termicznej i zachowaniem reguł technologicznych producenta PCB.
