Resistencia de la traza de PCB y caída de voltaje
Calcule la resistencia, la caída de voltaje y los julios de una traza pérdida por su longitud, ancho, espesor de cobre, corriente y temperatura.
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Una traza de PCB es un conductor con una resistencia finita. Cuando fluye corriente, esa resistencia provoca una caída de voltaje y un calentamiento Joule. Ambos dependen de la longitud y el ancho de la traza, el espesor del cobre acabado y la temperatura de funcionamiento.
Los tres controles a realizar
Para una traza de cobre recta que transporta corriente continua o RMS de baja frecuencia, comience con estas relaciones:
R = ρ × L / (w × t)
ΔV = I × R
P = I² × R
| Símbolo | Significado | Utilice unidades SI consistentes |
|---|---|---|
ρ | Resistividad del cobre a la temperatura de funcionamiento. | Ω·m |
L | Longitud del camino eléctrico | m |
w | Ancho de la traza terminada | m |
t | Espesor de cobre acabado | m |
I | Corriente CC continua o corriente RMS para calentamiento resistivo | A |
El área de la sección transversal es w × t. Duplicar el ancho o el espesor del cobre reduce aproximadamente a la mitad la resistencia de CC, la caída de voltaje y la pérdida de potencia resistiva cuando todas las demás condiciones permanecen sin cambios.
Utilice la calculadora de ancho de vía de PCB para calcular estos valores a partir de una geometría de placa práctica y hacer una primera estimación del aumento de temperatura.
La resistencia del cobre aumenta con la temperatura.
El cobre recocido tiene aproximadamente 1,724 × 10⁻⁸ Ω·m a 20 °C. Su resistencia aumenta aproximadamente un 0,393% por cada grado Celsius por encima de esa referencia:
ρT = ρ20 × [1 + 0.00393 × (T − 20 °C)]
Esta retroalimentación es importante en las rutas de energía: más corriente aumenta la temperatura de la traza, luego el cobre más caliente aumenta la caída de voltaje y la disipación. Por lo tanto, un cálculo de resistencia a temperatura ambiente es sólo una primera estimación cuando se espera que la traza se caliente.
La temperatura a utilizar es la temperatura del conductor, no solo la ambiental. Incluye autocalentamiento, fuentes de calor cercanas, flujo de aire, planos de cobre y apilado de placas.
Ejemplo resuelto: 1 A en una traza corta de 1 oz
Considere una traza externa con la siguiente geometría terminada:
| Parámetro | Valor |
|---|---|
| Longitud | 100 milímetros |
| Ancho | 1,0 milímetros |
| Espesor de cobre acabado | 35 µm (aproximadamente 1 oz/pie²) |
| Actual | 1,0 A |
| Temperatura del cobre | 20ºC |
Su área es 1.0 mm × 0.035 mm = 0.035 mm² o 3.5 × 10⁻⁸ m². La resistencia aproximada es entonces:
R = 1.724 × 10⁻⁸ × 0.100 / (3.5 × 10⁻⁸) ≈ 0.049 Ω
ΔV ≈ 1.0 × 0.049 = 49 mV
P ≈ 1.0² × 0.049 = 49 mW
A 2 A, la caída de tensión se duplica hasta aproximadamente 98 mV, mientras que la pérdida de potencia se cuadriplica hasta aproximadamente 196 mW. Este aumento de la ley del cuadrado es la razón por la que una traza que parece aceptable a una corriente nominal puede convertirse en una ruta caliente y de alta caída en una carga máxima.
La geometría es solo una parte del camino actual
La fórmula simple describe una sección recta y uniforme. En un tablero real, verifique también el elemento más estrecho o delgado en el bucle de corriente completo:
- Cuellos en almohadillas, conectores o radios de alivio térmico.
- Vías, incluido el diámetro de la broca, el espesor del revestimiento terminado, la cantidad y el reparto de corriente.
- Coladas y planos de cobre, donde la aglomeración de corriente puede concentrar pérdidas cerca de una conexión.
- Fusibles, derivaciones, conectores y camino de retorno; el voltaje de carga entregado depende de la resistencia completa del bucle.
- Revestimiento de la capa exterior: utilice un espesor de cobre acabado en lugar de la lámina inicial cuando eso sea lo que especifique el fabricante.
Para un suministro de CC de dos conductores, calcule las rutas positiva y de retorno juntas. Una traza de salida de 50 mΩ y una traza de retorno de 50 mΩ producen una resistencia de bucle de 100 mΩ y, por lo tanto, el doble de la caída de voltaje unidireccional.
Método de diseño
- Definir la peor corriente sostenida y la caída máxima aceptable en la carga.
- Ingrese la longitud real, el espesor del cobre terminado y el ancho disponible en la calculadora de ancho de pista de PCB.
- Verifique tanto la caída de voltaje como la pérdida de energía a la temperatura de funcionamiento esperada, no solo a 20 °C.
- Inspeccione cada cuello hacia abajo, vía de transición, conector y ruta de retorno por separado.
- Compare el aumento de temperatura resultante con la temperatura permitida del tablero y las reglas de ancho mínimo del fabricante.
La calculadora utiliza relaciones de aumento de temperatura/corriente estilo IPC-2221 como estimación de primer paso. Para una ruta de energía crítica, valide el diseño final con la guía IPC-2152, las reglas de diseño y apilamiento del fabricante, análisis térmico o medición en hardware representativo.
Errores comunes
| Error | Por qué causa problemas | Mejor enfoque |
|---|---|---|
| Utilizar peso de cobre como garantía del espesor del acabado | El revestimiento de la capa exterior y las tolerancias de fabricación cambian la sección del conductor. | Obtenga valores de cobre terminados a partir de la pila de placas. |
| Comprobando sólo el rastro principal | Un cuello hacia abajo corto o una vía pueden dominar la resistencia y el calentamiento. | Traza el camino eléctrico completo y sus cuellos de botella. |
| Calcular solo a temperatura ambiente | La resistencia del cobre aumenta a medida que la traza se calienta. | Incluir una temperatura del conductor realista o iterar después de la estimación térmica |
| Ignorando el camino de regreso | El voltaje de carga depende de la resistencia del bucle. | Presupuestar conductores de ida y vuelta juntos |
| Tratar las ecuaciones de CC como un modelo de RF | El efecto piel, el efecto de proximidad y la impedancia dominan en alta frecuencia | Utilice un análisis de CA o de impedancia controlada apropiado |
Bibliografía
- IPC-2152 — Estándar para determinar la capacidad de carga actual en el diseño de tableros impresos.
- IPC-2221C — Norma genérica sobre diseño de tableros impresos.
- NIST: datos de referencia de resistividad eléctrica y coeficiente de temperatura para el cobre.