Elegir el ancho de pista correcto es una de las decisiones más críticas en el diseño de PCB. Demasiado estrecha, y tu pista se sobrecalienta, se derrite o se convierte en un fusible. Demasiado ancha, y desperdicias espacio en la placa que podría usarse para enrutamiento o componentes. Esta guía cubre todo lo que necesitas saber sobre cálculos de ancho de pista PCB.
1. Por qué importa el ancho de pista
Cada pista de PCB tiene resistencia eléctrica, y cuando la corriente fluye a través de esa resistencia, genera calor (P = I²R). La pista debe ser lo suficientemente ancha para:
- Transportar la corriente requerida sin calentamiento excesivo
- Mantenerse por debajo de un aumento de temperatura seguro (típicamente 10-20°C sobre ambiente)
- Cumplir requisitos de impedancia para señales de alta velocidad
- Sobrevivir la fabricación sin defectos o roturas
- Manejar corrientes transitorias (arranque, bloqueo de motor, cortocircuito)
Advertencia crítica
Una pista subdimensionada puede actuar como un fusible, derritiéndose durante condiciones de sobrecorriente y causando falla de la placa o incendio. Siempre agrega margen de seguridad a tus cálculos.
2. Estándares IPC explicados (IPC-2221 vs IPC-2152)
Dos estándares IPC principales rigen los cálculos de ancho de pista. Entender cuándo usar cada uno es esencial para diseños profesionales.
IPC-2221: El estándar clásico
IPC-2221 (Estándar genérico sobre diseño de placas impresas) ha sido el estándar de la industria desde 1998. Sus gráficos de ancho de pista derivan de especificaciones militares (MIL-STD-275) que datan de los años 1950-60.
Fórmula IPC-2221 (capas externas):
I = 0.048 × ΔT^0.44 × A^0.725
Fórmula IPC-2221 (capas internas):
I = 0.024 × ΔT^0.44 × A^0.725
Donde:
- I = Corriente en amperios
- ΔT = Aumento de temperatura sobre ambiente en °C
- A = Área de sección transversal en mils² (ancho × espesor)
IPC-2152: El estándar moderno
IPC-2152 (Estándar para determinar la capacidad de transporte de corriente en diseño de placas impresas) se publicó en 2009 basado en pruebas extensivas del Naval Surface Warfare Center. Incluye:
- Materiales FR-4 modernos y procesos de fabricación
- Efectos de planos de cobre cerca de pistas
- Factores ambientales (flujo de aire, carcasa)
- Predicciones más precisas para PCBs actuales
¿Qué estándar usar?
Para la mayoría de proyectos de hobby y comerciales, IPC-2221 todavía se usa ampliamente y proporciona estimaciones conservadoras. Use IPC-2152 cuando necesite predicciones más precisas, especialmente para diseños de alta corriente o placas con rellenos de cobre.
3. La fórmula de ancho de pista
Para calcular el ancho de pista, necesitamos resolver la fórmula IPC-2221 para ancho. Aquí está la derivación paso a paso:
Paso 1: Calcular área de sección transversal requerida
A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725)
Paso 2: Calcular ancho de pista
Ancho (mils) = A / (Espesor × 1.378)
Donde:
- k = 0.048 para capas externas
- k = 0.024 para capas internas
- Espesor en oz/ft² (1 oz = 1.378 mils)
Fórmula simplificada para cobre de 1oz
Para el caso común de cobre de 1oz con aumento de temperatura de 10°C:
Capa externa: Ancho (mils) ≈ I^1.378 × 10.5
Capa interna: Ancho (mils) ≈ I^1.378 × 21
Esta aproximación es precisa dentro del 10% para corrientes de 0.5A a 10A.
4. Tablas completas de ancho de pista
Estas tablas proporcionan valores de referencia rápida basados en IPC-2221. Úselas como punto de partida, luego verifique con una calculadora.
Capa externa - Cobre 1oz (35μm / 1.4 mils)
| Corriente | Aumento 10°C | Aumento 20°C | Aumento 30°C |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 5 mil (0.13mm) | 3 mil (0.08mm) | 2.5 mil (0.06mm) |
| 1A | 10 mil (0.25mm) | 7 mil (0.18mm) | 5 mil (0.13mm) |
| 2A | 30 mil (0.76mm) | 20 mil (0.51mm) | 15 mil (0.38mm) |
| 3A | 50 mil (1.27mm) | 35 mil (0.89mm) | 25 mil (0.64mm) |
| 4A | 80 mil (2.03mm) | 55 mil (1.40mm) | 40 mil (1.02mm) |
| 5A | 110 mil (2.79mm) | 75 mil (1.91mm) | 60 mil (1.52mm) |
| 7A | 175 mil (4.45mm) | 120 mil (3.05mm) | 95 mil (2.41mm) |
| 10A | 300 mil (7.62mm) | 200 mil (5.08mm) | 160 mil (4.06mm) |
Capa interna - Cobre 1oz (35μm / 1.4 mils)
| Corriente | Aumento 10°C | Aumento 20°C | Aumento 30°C |
|---|---|---|---|
| 0.5A | 15 mil (0.38mm) | 10 mil (0.25mm) | 8 mil (0.20mm) |
| 1A | 35 mil (0.89mm) | 22 mil (0.56mm) | 17 mil (0.43mm) |
| 2A | 90 mil (2.29mm) | 60 mil (1.52mm) | 45 mil (1.14mm) |
| 3A | 160 mil (4.06mm) | 105 mil (2.67mm) | 80 mil (2.03mm) |
| 4A | 240 mil (6.10mm) | 160 mil (4.06mm) | 125 mil (3.18mm) |
| 5A | 330 mil (8.38mm) | 220 mil (5.59mm) | 175 mil (4.45mm) |
Nota importante
Las capas internas requieren aproximadamente pistas 2-3x más anchas que las capas externas para la misma corriente. Esto se debe a que las capas internas no tienen refrigeración por aire y dependen completamente de la conducción a través del sustrato PCB.
5. Peso y espesor del cobre
El peso del cobre (medido en oz/ft²) afecta directamente la capacidad de transporte de corriente. Cobre más pesado = más área de sección transversal = más corriente.
Tabla de conversión de peso de cobre
| Peso (oz) | Espesor (mils) | Espesor (μm) | Espesor (mm) | Multiplicador de corriente |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.7 mil | 17.5 μm | 0.0175 mm | 0.6x |
| 1 oz (Estándar) | 1.4 mil | 35 μm | 0.035 mm | 1.0x (Base) |
| 2 oz | 2.8 mil | 70 μm | 0.070 mm | 1.65x |
| 3 oz | 4.2 mil | 105 μm | 0.105 mm | 2.2x |
| 4 oz | 5.6 mil | 140 μm | 0.140 mm | 2.7x |
Consejo profesional: Cuándo usar cobre pesado
Considere cobre de 2oz para electrónica de potencia, controladores de motor o cualquier diseño que transporte >3A. El aumento de costo es típicamente del 10-20%, pero obtendrá pistas significativamente más estrechas y mejor rendimiento térmico. JLCPCB ofrece cobre de 2oz como opción estándar.
6. Capas internas vs externas
La ubicación de su pista afecta dramáticamente su capacidad de corriente. Entender por qué le ayuda a tomar mejores decisiones de diseño.
Capas externas (superior e inferior)
- Mejor refrigeración - El contacto directo con el aire permite disipación de calor convectiva
- Puede transportar ~2x más corriente que pistas internas equivalentes
- Afectado por la carcasa - El aire quieto en carcasas reduce la capacidad en 10-20%
- Los planos de cobre ayudan - Los rellenos de cobre adyacentes actúan como dispersores de calor
Capas internas
- Calor atrapado - Sin contacto directo con el aire, el calor debe conducirse a través de FR-4
- Menor capacidad - Aproximadamente 50% de la capacidad de capa externa
- Las vías térmicas ayudan - Agregue vías para conducir calor a capas externas
- La proximidad al plano importa - Las pistas cerca de planos de potencia/tierra se enfrían mejor
7. Consideraciones de aumento de temperatura
El aumento de temperatura (ΔT) es cuánto más caliente se pone la pista comparada con el ambiente. Este es un parámetro de diseño crítico.
Elegir el aumento de temperatura
| ΔT | Caso de uso | Compensaciones |
|---|---|---|
| 10°C | Conservador, electrónica de consumo, alta confiabilidad | Pistas más anchas, más confiables |
| 20°C | Industrial, potencia moderada, buen balance | ~30% pistas más estrechas que 10°C |
| 30°C | Espacio limitado, ciclo de trabajo corto | ~45% más estrecho, confiabilidad reducida |
| >30°C | No recomendado | Riesgo de delaminación, daño de componentes |
Consideraciones de temperatura ambiente
¡No olvide la temperatura ambiente! Si su dispositivo opera en un ambiente caliente:
Temperatura máxima de pista = Ambiente + ΔT
Ejemplo:
- Ambiente: 50°C (carcasa caliente)
- ΔT: 20°C (del cálculo)
- Temperatura de pista: 70°C
Transición vítrea FR-4 (Tg): 130-180°C (¡seguro!)
Límites de componentes cercanos: Verifique especificaciones de IC (típicamente 85-105°C máx)
8. Cómo usar una calculadora de ancho de pista
Las calculadoras de ancho de pista en línea automatizan la fórmula IPC-2221. Así es cómo usarlas efectivamente.
Entradas requeridas
- Corriente (amperios) - Use su corriente máxima esperada, incluyendo transitorios
- Peso del cobre (oz) - Usualmente 1oz a menos que se especifique lo contrario
- Aumento de temperatura (°C) - Comience con 10°C para diseño conservador
- Capa de pista - Externa (superior/inferior) o Interna
- Longitud de pista (opcional) - Para cálculos de caída de voltaje
Ejemplo paso a paso
Diseñemos una pista para un controlador de motor de 12V que consume 3A pico:
Dado:
- Corriente: 3A (corriente pico del motor)
- Cobre: 1oz (PCB estándar)
- Aumento de temperatura: 10°C (conservador)
- Capa: Externa (capa superior)
- Longitud de pista: 50mm
Salida de calculadora:
- Ancho requerido: 50 mil (1.27mm)
- Resistencia: 0.035Ω
- Caída de voltaje: 0.105V (0.9% de 12V)
- Disipación de potencia: 0.315W
Calculadoras recomendadas
- Saturn PCB Toolkit - Software gratuito para Windows con herramientas completas
- 4PCB Trace Width Calculator - Herramienta en línea simple
- EEWeb Calculator - Basado en navegador con ambos estándares IPC
- Altium Designer - Calculadora integrada (con licencia)
9. Ejemplos de diseño prácticos
Ejemplo 1: Dispositivo alimentado por USB
Requisito: Alimentación USB 2.0 (500mA máx)
Cálculo:
- Corriente: 0.5A
- Cobre 1oz, externa, aumento 10°C
- Resultado: 5 mil (0.13mm)
Recomendación: Use 10 mil (0.25mm) mínimo
Razón: Confiabilidad de fabricación, reducción de caída de voltaje
Ejemplo 2: Fuente de alimentación 5V/2A
Requisito: Riel de 5V para placa de desarrollo
Cálculo:
- Corriente: 2A continua
- Cobre 1oz, externa, aumento 10°C
- Resultado: 30 mil (0.76mm)
Recomendación: Use 40 mil (1.0mm)
Razón: Permitir transitorios, expansión futura
Ejemplo 3: Controlador de motor (alta corriente)
Requisito: Controlador de motor 24V/10A
Cálculo:
- Corriente: 10A continua (15A bloqueado)
- Cobre 2oz, externa, aumento 20°C
- Resultado para 10A: 115 mil (2.9mm)
- Resultado para 15A (bloqueado): 200 mil (5.1mm)
Recomendación:
- Use rellenos de cobre para rutas de potencia
- Agregue vías térmicas para dispersar el calor
- Considere cobre de 4oz para corriente extrema
Ejemplo 4: Dispositivo IoT alimentado por batería
Requisito: LiPo 3.7V, promedio 100mA, 500mA pico (TX WiFi)
Cálculo:
- Diseño para pico: 500mA
- Cobre 1oz, externa, aumento 10°C
- Resultado: 5 mil (0.13mm)
Recomendación: Use 8 mil (0.2mm) para todas las pistas de potencia
Razón: Margen de fabricación, menor caída IR para vida de batería
10. Errores comunes a evitar
Error #1: Usar ancho de pista de señal para potencia
Problema: Enrutar VCC con pistas de 6 mil porque "es solo una conexión"
Solución: Siempre calcule el ancho de pista basado en corriente, no función. Una pista de potencia de 1A necesita 10+ mils.
Error #2: Ignorar la ruta de retorno
Problema: Pista VCC ancha pero pista GND delgada
Solución: La ruta de retorno (usualmente GND) transporta la misma corriente. Dimensione ambas pistas igualmente o use un plano de tierra.
Error #3: No tener en cuenta transitorios
Problema: Diseñar para promedio de 2A cuando el motor se bloquea a 8A
Solución: Diseñe para corriente del peor caso: arranque, bloqueo de motor, corriente de disparo de protección contra cortocircuito.
Error #4: Estrechamiento en vías
Problema: Pista de 50 mil que se reduce a 10 mil en la conexión de vía
Solución: Use múltiples vías en paralelo, o pads de vía más grandes. El cuello se convierte en el cuello de botella de corriente.
Error #5: Olvidar las capas internas
Problema: Enrutar 5A en capa interna con el mismo ancho que externa
Solución: Las pistas internas necesitan ~2x el ancho. Use capas externas para rutas de alta corriente cuando sea posible.
Error #6: Ignorar la caída de voltaje
Problema: Pista larga de 10 mil causando caída de 0.5V en riel de 3.3V
Solución: Calcule la caída de voltaje para pistas largas: V = I × R. Mantenga la caída bajo 2-3% del voltaje del riel.
11. Mejores prácticas y reglas prácticas
Reglas de referencia rápida
- 1.10 mils por amperio - Aproximación rápida para cobre de 1oz, externa, aumento de 10°C
- 2.Doble para interna - Las capas internas necesitan 2x el ancho de pista
- 3.Agregue 50% de margen - Siempre diseñe con margen de seguridad para transitorios
- 4.Use rellenos de cobre - Para corrientes superiores a 3A, considere rellenos de polígono en lugar de pistas
- 5.Verifique la caída de voltaje - Las pistas largas o voltajes bajos necesitan pistas más anchas para caída IR
- 6.Cuide la ruta de retorno - Las pistas GND transportan la misma corriente que la potencia
Cuándo usar rellenos de cobre en lugar de pistas
- La corriente excede 5A continua
- Necesita disipación de calor significativa
- Múltiples cargas paralelas comparten un riel de potencia
- El espacio no está limitado
- Los requisitos EMI/EMC necesitan planos sólidos
Estrategia de vías térmicas
Para diseños de alta corriente, las vías térmicas ayudan a disipar el calor de capas internas:
- Coloque vías a lo largo de la longitud de la pista, no solo en los extremos
- Use vías de perforación de 0.3mm, pad de 0.6mm - estándar y económico
- Espaciado: separados 1-2mm a lo largo de la pista
- Conecte al relleno de cobre en el lado opuesto para actuar como disipador de calor
12. Límites de fabricación de JLCPCB
Al diseñar para JLCPCB (o fabricantes similares de bajo costo), tenga en cuenta estos límites:
| Parámetro | Estándar (Gratis) | Avanzado ($$$) |
|---|---|---|
| Ancho mínimo de pista | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Espaciado mínimo de pista | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Peso del cobre | 1oz / 2oz | Hasta 6oz |
| Tamaño de perforación de vía | 0.3mm mínimo | 0.15mm mínimo |
| Espesor máximo de placa | 2.0mm | 4.0mm |
Consejo de integración EasyEDA
Al usar EasyEDA con JLCPCB, las reglas de diseño se configuran automáticamente a las capacidades estándar de JLCPCB. Verifique Design → Design Rule Check para verificar que sus anchos de pista cumplan los requisitos de fabricación antes de ordenar.
Resumen: Diagrama de flujo de selección de ancho de pista
- Determinar corriente máxima - Incluya transitorios, arranque, peor caso
- Elegir peso del cobre - 1oz estándar, 2oz para >3A
- Seleccionar aumento de temperatura - 10°C conservador, 20°C típico
- Identificar capa - Externa preferida para alta corriente
- Calcular usando IPC-2221 - Use tablas o calculadora
- Agregar margen de seguridad - Mínimo 50%, más para rutas críticas
- Verificar caída de voltaje - Para pistas largas o voltajes bajos
- Verificar DRC - Asegurar que cumple mínimos del fabricante
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