Largeur de piste et courant : routage d’alimentation PCB

Dans l’art complexe de la conception de PCB, le routage d’alimentation est le héros méconnu qui transporte le courant donnant vie aux circuits. Alors que les pistes de signal attirent toute l’attention pour leur adaptation d’impédance et le contrôle du bruit, les pistes d’alimentation assument silencieusement la responsabilité de délivrer le courant sans se détériorer ni endommager les composants qu’elles alimentent. Mais quelle largeur doivent avoir ces pistes ? C’est ici que la relation entre largeur de piste et capacité de courant entre en jeu. Si vous pensez que des pistes de 0,1 mm suffisent pour 10 A, vous ne faites que concevoir un fusible en forme de PCB. Pour en savoir plus sur les PCB, consultez notre guide ultime sur la fabrication de PCB.

Pourquoi la largeur de piste est importante dans le routage d’alimentation

Le routage d’alimentation consiste à acheminer efficacement le courant tout en maîtrisant la chaleur, les chutes de tension et l’intégrité du signal. Si la largeur de piste est mal choisie, vous risquez une accumulation de chaleur, une chute de tension ou, dans les cas extrêmes, la fusion de la piste. Et oui, des pistes fondues peuvent sembler impressionnantes dans les films de science-fiction, mais dans la réalité, c’est un désastre de conception.

L’IPC a développé des normes pour tester et calculer l’élévation de température des pistes PCB pour des courants spécifiques. Les normes IPC-2221 et IPC-2152 contiennent une grande quantité d’informations sur ces sujets. Ces documents sont très détaillés et la plupart des concepteurs n’ont pas le temps d’examiner toutes les données pour déterminer un tableau largeur de piste vs courant.

Qu’est-ce que la résistance des pistes d’un PCB ?

Toute substance possède une certaine résistance au courant, et conducteurs comme isolants s’opposent au passage du courant. Dans la fabrication des pistes PCB, le cuivre est un conducteur courant, mais en raison de sa composition et de ses propriétés, il présente toujours une résistance au passage du courant, appelée résistance de piste PCB.

La résistance d’un circuit, mesurée en ohms, indique l’opposition au flux de courant. Dans les PCB, elle est cruciale pour évaluer les pertes de signal et la gestion de la puissance. Elle dépend de l’épaisseur, de la largeur et de la longueur de la piste et doit rester faible pour permettre un flux de courant efficace. Une résistance élevée entraîne des pertes de puissance, une surchauffe et une conductivité réduite. Pour la réduire, les concepteurs peuvent augmenter la largeur de piste, utiliser des couches de cuivre plus épaisses ou élargir la zone de cuivre. Ces méthodes permettent de mieux gérer la chaleur et d’améliorer les performances du PCB, surtout pour les conceptions en cuivre épais.

Facteurs influençant la capacité de courant

Si une piste simple ne peut supporter le courant requis, elle peut être étendue sur plusieurs couches via des vias pour relier ces couches, augmentant ainsi la capacité de transport de courant tout en gardant la même épaisseur de cuivre. L’utilisation de pistes plus épaisses (2 oz ou 3 oz) augmente également la capacité de courant grâce à une résistivité plus faible, mais cela augmente les coûts de fabrication. La capacité de courant d’une piste PCB ne dépend pas uniquement de sa largeur. Voici les principaux facteurs :

Épaisseur du cuivre : Mesurée en onces par pied carré, elle définit la quantité de cuivre laminée sur le PCB.

• 1 oz/ft² (35 µm) : standard pour la plupart des PCB.
• 2 oz/ft² (70 µm) : pour des applications à courant élevé.
• 3 oz/ft² ou plus : pour les conceptions très gourmandes en énergie.

Température ambiante et de fonctionnement : Des températures plus élevées réduisent la capacité de courant des pistes. Tenez compte des conditions ambiantes et de la chaleur générée par les composants. Concevez pour le pire scénario thermique.

Longueur de piste : Des pistes longues augmentent la résistance, générant plus de chaleur et de chute de tension. Gardez les pistes d’alimentation aussi courtes que possible. Si votre PCB ressemble à un labyrinthe, recommencez.

Pour des applications à haute puissance comme les véhicules électriques et les onduleurs, où le courant dépasse 100 A, les pistes en cuivre traditionnelles sont souvent insuffisantes. Dans ces cas, des barres omnibus en cuivre plus épaisses que les pistes standards peuvent être utilisées. Elles sont soudées sur les pads du PCB et peuvent supporter des courants élevés sans surchauffer.

Calculer la largeur de piste pour la capacité de courant

Vous pouvez utiliser un calculateur en ligne pour déterminer divers paramètres d’une piste : température, courant maximal, résistance, chute de tension et dissipation de puissance. Se familiariser avec ces formules vous aidera à mieux interpréter les résultats.

Utilisez les calculateurs en ligne ou les outils intégrés dans les logiciels de conception PCB. Pourquoi mémoriser des formules quand un outil peut le faire pour vous ?

7 conseils pour optimiser le routage d’alimentation dans les PCB

Pour équilibrer coût de fabrication, densité de circuits et performances, suivez ces bonnes pratiques :

1. Concevoir une largeur de piste adéquate : assurez-vous que les pistes supportent le courant prévu sans surchauffe. Exemple : pour une charge de 2 A sur un PCB en cuivre 1 oz, une largeur d’environ 1 mm (40 mils) est typique pour les couches externes.

2. Utiliser des pistes plus larges pour des courants élevés : une piste plus large réduit la résistance, augmente la capacité de courant et minimise les chutes de tension.

3. Employer des plans d’alimentation : les plans de cuivre distribuent le courant efficacement. Pour des conceptions à forte consommation, utilisez des plans dédiés pour l’alimentation et la masse plutôt que des pistes seules.

4. Gestion thermique : la dissipation de chaleur est cruciale pour les pistes à fort courant. Ajoutez des vias thermiques ou des dissipateurs pour répartir la chaleur sur les couches. Utilisez du cuivre plus épais pour une meilleure conduction thermique.

5. Minimiser la chute de tension : elle peut provoquer des dysfonctionnements, surtout sur des circuits basse tension. Gardez les pistes courtes, larges et directes.

6. Éviter les angles vifs : les angles droits créent des points chauds et augmentent l’inductance. Préférez des angles de 45° ou des courbes pour les pistes d’alimentation.

7. Pistes parallèles pour courants élevés : pour les courants très importants, divisez la charge entre plusieurs pistes ou couches parallèles. Plus d’un via est recommandé pour relier différentes couches. La limite de courant d’un via est d’environ 500 mA.

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Erreurs courantes et comment les éviter

1. Ignorer les effets thermiques : utiliser des pistes fines sur les couches internes pour des chemins à fort courant. Optez pour des pistes larges, des vias thermiques et routez les pistes d’alimentation sur la couche supérieure ou inférieure.

2. Conception surchargée : évitez de faire passer des pistes d’alimentation dans des zones congestionnées. Planifiez le routage dès le départ et priorisez les chemins d’alimentation.

3. Se limiter aux couches externes : ne surchargez pas les pistes externes et ne négligez pas les couches internes. Distribuez le courant sur plusieurs couches si nécessaire.

Pourquoi retirer le masque de soudure pour le routage d’alimentation

Le retrait du masque permet à la piste de transporter davantage de courant, ce qui est économique. Le cuivre exposé peut être renforcé par une soudure supplémentaire pour augmenter l’épaisseur et réduire la résistance totale. Ainsi, le PCB peut supporter une plus grande puissance sans élargir les pistes.

Conclusion

Le routage d’alimentation ne consiste pas seulement à relier des composants ; il s’agit de gérer le courant, de minimiser la chaleur et d’assurer la fiabilité. En équilibrant la largeur des pistes, l’épaisseur du cuivre et la gestion thermique, vous pouvez concevoir des PCB capables de fournir de la puissance sans surchauffer ni endommager les pistes. Découvrez le processus complet de conception d’un PCB en tenant compte du calcul des pistes.

• La largeur des pistes et l’épaisseur des couches de cuivre sont essentielles pour gérer la capacité de transport de courant des PCB, selon les normes IPC-2152 et IPC-2221.

• L’emplacement d’une piste, qu’elle soit externe ou interne, influence fortement sa capacité de dissipation thermique et guide le choix des pistes pour un fonctionnement sûr.

• L’épaisseur du cuivre est souvent mesurée en onces par pied carré, ce qui se corrèle directement au poids et fournit une mesure simple pour déterminer l’épaisseur de piste nécessaire.

Rappelez-vous : un peu d’effort supplémentaire en phase de conception peut vous éviter des pistes fondues et des composants grillés plus tard. Alors, faites vos pistes larges, restez au frais et évitez les catastrophes liées à une sous-estimation de vos besoins en courant !