Choisir la bonne largeur de piste est l'une des décisions les plus critiques dans la conception de PCB. Trop étroite, et votre piste surchauffe, fond ou devient un fusible. Trop large, et vous gaspillez de l'espace sur la carte qui pourrait être utilisé pour le routage ou les composants. Ce guide couvre tout ce que vous devez savoir sur les calculs de largeur de piste PCB.
1. Pourquoi la largeur de piste est importante
Chaque piste de PCB a une résistance électrique, et lorsque le courant circule à travers cette résistance, elle génère de la chaleur (P = I²R). La piste doit être suffisamment large pour :
- Transporter le courant requis sans échauffement excessif
- Rester en dessous d'une élévation de température sûre (typiquement 10-20°C au-dessus de l'ambiant)
- Répondre aux exigences d'impédance pour les signaux à haute vitesse
- Survivre à la fabrication sans défauts ou ruptures
- Gérer les courants transitoires (démarrage, blocage moteur, court-circuit)
Avertissement critique
Une piste sous-dimensionnée peut agir comme un fusible, fondant pendant des conditions de surintensité et causant une défaillance de la carte ou un incendie. Ajoutez toujours une marge de sécurité à vos calculs.
2. Normes IPC expliquées (IPC-2221 vs IPC-2152)
Deux principales normes IPC régissent les calculs de largeur de piste. Comprendre quand utiliser chacune est essentiel pour les conceptions professionnelles.
IPC-2221 : La norme classique
IPC-2221 (Norme générique sur la conception de cartes imprimées) est la norme de l'industrie depuis 1998. Ses tableaux de largeur de piste sont dérivés des spécifications militaires (MIL-STD-275) datant des années 1950-60.
Formule IPC-2221 (couches externes) :
I = 0.048 × ΔT^0.44 × A^0.725
Formule IPC-2221 (couches internes) :
I = 0.024 × ΔT^0.44 × A^0.725
Où :
- I = Courant en ampères
- ΔT = Élévation de température au-dessus de l'ambiant en °C
- A = Aire de section transversale en mils² (largeur × épaisseur)
IPC-2152 : La norme moderne
IPC-2152 (Norme pour déterminer la capacité de transport de courant dans la conception de cartes imprimées) a été publié en 2009 sur la base de tests approfondis du Naval Surface Warfare Center. Il comprend :
- Matériaux FR-4 modernes et processus de fabrication
- Effets des plans de cuivre près des pistes
- Facteurs environnementaux (flux d'air, boîtier)
- Prédictions plus précises pour les PCB d'aujourd'hui
Quelle norme utiliser ?
Pour la plupart des projets amateurs et commerciaux, IPC-2221 est encore largement utilisé et fournit des estimations conservatrices. Utilisez IPC-2152 lorsque vous avez besoin de prédictions plus précises, en particulier pour les conceptions à courant élevé ou les cartes avec des remplissages de cuivre.
3. La formule de largeur de piste
Pour calculer la largeur de piste, nous devons résoudre la formule IPC-2221 pour la largeur. Voici la dérivation étape par étape :
Étape 1 : Calculer l'aire de section transversale requise
A = (I / (k × ΔT^0.44))^(1/0.725)
Étape 2 : Calculer la largeur de piste
Largeur (mils) = A / (Épaisseur × 1.378)
Où :
- k = 0.048 pour les couches externes
- k = 0.024 pour les couches internes
- Épaisseur en oz/ft² (1 oz = 1.378 mils)
Formule simplifiée pour cuivre 1oz
Pour le cas courant de cuivre 1oz avec élévation de température de 10°C :
Couche externe : Largeur (mils) ≈ I^1.378 × 10.5
Couche interne : Largeur (mils) ≈ I^1.378 × 21
Cette approximation est précise à 10% près pour des courants de 0,5A à 10A.
4. Tableaux complets de largeur de piste
Ces tableaux fournissent des valeurs de référence rapide basées sur IPC-2221. Utilisez-les comme point de départ, puis vérifiez avec un calculateur.
Couche externe - Cuivre 1oz (35μm / 1.4 mils)
| Courant | Élévation 10°C | Élévation 20°C | Élévation 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) |
Couche interne - Cuivre 1oz (35μm / 1.4 mils)
| Courant | Élévation 10°C | Élévation 20°C | Élévation 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) |
Note importante
Les couches internes nécessitent approximativement des pistes 2-3x plus larges que les couches externes pour le même courant. C'est parce que les couches internes n'ont pas de refroidissement par air et dépendent entièrement de la conduction à travers le substrat PCB.
5. Poids et épaisseur du cuivre
Le poids du cuivre (mesuré en oz/ft²) affecte directement la capacité de transport de courant. Cuivre plus lourd = plus d'aire de section transversale = plus de courant.
Tableau de conversion de poids de cuivre
| Poids (oz) | Épaisseur (mils) | Épaisseur (μm) | Épaisseur (mm) | Multiplicateur de courant |
|---|---|---|---|---|
| 0.5 oz | 0.7 mil | 17.5 μm | 0.0175 mm | 0.6x |
| 1 oz (Standard) | 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 |
Conseil pro : Quand utiliser du cuivre lourd
Envisagez le cuivre 2oz pour l'électronique de puissance, les pilotes de moteur ou toute conception transportant >3A. L'augmentation de coût est généralement de 10-20%, mais vous obtiendrez des pistes nettement plus étroites et de meilleures performances thermiques. JLCPCB offre le cuivre 2oz comme option standard.
6. Couches internes vs externes
L'emplacement de votre piste affecte considérablement sa capacité de courant. Comprendre pourquoi vous aide à prendre de meilleures décisions de conception.
Couches externes (dessus et dessous)
- Meilleur refroidissement - Le contact direct avec l'air permet la dissipation de chaleur convective
- Peut transporter ~2x plus de courant que des pistes internes équivalentes
- Affecté par le boîtier - L'air immobile dans les boîtiers réduit la capacité de 10-20%
- Les plans de cuivre aident - Les remplissages de cuivre adjacents agissent comme des dissipateurs de chaleur
Couches internes
- Chaleur piégée - Pas de contact direct avec l'air, la chaleur doit se conduire à travers le FR-4
- Capacité inférieure - Environ 50% de la capacité de couche externe
- Les vias thermiques aident - Ajoutez des vias pour conduire la chaleur vers les couches externes
- La proximité du plan compte - Les pistes près des plans d'alimentation/masse refroidissent mieux
7. Considérations d'élévation de température
L'élévation de température (ΔT) est à quel point la piste devient plus chaude par rapport à l'ambiant. C'est un paramètre de conception critique.
Choisir l'élévation de température
| ΔT | Cas d'usage | Compromis |
|---|---|---|
| 10°C | Conservateur, électronique grand public, haute fiabilité | Pistes les plus larges, plus fiables |
| 20°C | Industriel, puissance modérée, bon équilibre | Pistes ~30% plus étroites que 10°C |
| 30°C | Espace contraint, cycle de service court | ~45% plus étroit, fiabilité réduite |
| >30°C | Non recommandé | Risque de délaminage, dommages aux composants |
Considérations de température ambiante
N'oubliez pas la température ambiante ! Si votre appareil fonctionne dans un environnement chaud :
Température maximale de piste = Ambiant + ΔT
Exemple :
- Ambiant : 50°C (boîtier chaud)
- ΔT : 20°C (du calcul)
- Température de piste : 70°C
Transition vitreuse FR-4 (Tg) : 130-180°C (sûr !)
Limites des composants proches : Vérifiez les spécifications IC (généralement 85-105°C max)
8. Comment utiliser un calculateur de largeur de piste
Les calculateurs de largeur de piste en ligne automatisent la formule IPC-2221. Voici comment les utiliser efficacement.
Entrées requises
- Courant (ampères) - Utilisez votre courant maximum attendu, y compris les transitoires
- Poids du cuivre (oz) - Habituellement 1oz sauf indication contraire
- Élévation de température (°C) - Commencez avec 10°C pour une conception conservatrice
- Couche de piste - Externe (dessus/dessous) ou Interne
- Longueur de piste (optionnel) - Pour les calculs de chute de tension
Exemple étape par étape
Concevons une piste pour un pilote de moteur 12V tirant un pic de 3A :
Donné :
- Courant : 3A (courant de pic du moteur)
- Cuivre : 1oz (PCB standard)
- Élévation de température : 10°C (conservateur)
- Couche : Externe (couche supérieure)
- Longueur de piste : 50mm
Sortie du calculateur :
- Largeur requise : 50 mil (1.27mm)
- Résistance : 0.035Ω
- Chute de tension : 0.105V (0.9% de 12V)
- Dissipation de puissance : 0.315W
Calculateurs recommandés
- Saturn PCB Toolkit - Logiciel gratuit pour Windows avec des outils complets
- 4PCB Trace Width Calculator - Outil en ligne simple
- EEWeb Calculator - Basé sur navigateur avec les deux normes IPC
- Altium Designer - Calculateur intégré (sous licence)
9. Exemples de conception pratiques
Exemple 1 : Appareil alimenté par USB
Exigence : Alimentation USB 2.0 (500mA max)
Calcul :
- Courant : 0.5A
- Cuivre 1oz, externe, élévation 10°C
- Résultat : 5 mil (0.13mm)
Recommandation : Utilisez 10 mil (0.25mm) minimum
Raison : Fiabilité de fabrication, réduction de chute de tension
Exemple 2 : Alimentation 5V/2A
Exigence : Rail 5V pour carte de développement
Calcul :
- Courant : 2A continu
- Cuivre 1oz, externe, élévation 10°C
- Résultat : 30 mil (0.76mm)
Recommandation : Utilisez 40 mil (1.0mm)
Raison : Permettre les transitoires, expansion future
Exemple 3 : Pilote de moteur (courant élevé)
Exigence : Pilote de moteur 24V/10A
Calcul :
- Courant : 10A continu (15A bloqué)
- Cuivre 2oz, externe, élévation 20°C
- Résultat pour 10A : 115 mil (2.9mm)
- Résultat pour 15A (bloqué) : 200 mil (5.1mm)
Recommandation :
- Utilisez des remplissages de cuivre pour les chemins d'alimentation
- Ajoutez des vias thermiques pour disperser la chaleur
- Envisagez le cuivre 4oz pour un courant extrême
Exemple 4 : Appareil IoT alimenté par batterie
Exigence : LiPo 3.7V, moyenne 100mA, 500mA pic (TX WiFi)
Calcul :
- Conception pour pic : 500mA
- Cuivre 1oz, externe, élévation 10°C
- Résultat : 5 mil (0.13mm)
Recommandation : Utilisez 8 mil (0.2mm) pour toutes les pistes d'alimentation
Raison : Marge de fabrication, chute IR inférieure pour autonomie de batterie
10. Erreurs courantes à éviter
Erreur #1 : Utiliser la largeur de piste de signal pour l'alimentation
Problème : Router VCC avec des pistes de 6 mil parce que "ce n'est qu'une connexion"
Solution : Calculez toujours la largeur de piste en fonction du courant, pas de la fonction. Une piste d'alimentation 1A nécessite 10+ mils.
Erreur #2 : Ignorer le chemin de retour
Problème : Piste VCC large mais piste GND fine
Solution : Le chemin de retour (généralement GND) transporte le même courant. Dimensionnez les deux pistes de manière égale ou utilisez un plan de masse.
Erreur #3 : Ne pas tenir compte des transitoires
Problème : Concevoir pour une moyenne de 2A quand le moteur se bloque à 8A
Solution : Concevez pour le courant du pire cas : appel, blocage moteur, courant de déclenchement de protection contre court-circuit.
Erreur #4 : Rétrécissement aux vias
Problème : Piste de 50 mil se réduisant à 10 mil à la connexion via
Solution : Utilisez plusieurs vias en parallèle, ou des pads de via plus grands. Le goulot devient le goulot d'étranglement de courant.
Erreur #5 : Oublier les couches internes
Problème : Router 5A sur couche interne avec la même largeur qu'externe
Solution : Les pistes internes nécessitent ~2x la largeur. Utilisez les couches externes pour les chemins haute intensité lorsque possible.
Erreur #6 : Ignorer la chute de tension
Problème : Longue piste de 10 mil causant une chute de 0.5V sur rail 3.3V
Solution : Calculez la chute de tension pour les pistes longues : V = I × R. Maintenez la chute sous 2-3% de la tension du rail.
11. Meilleures pratiques et règles empiriques
Règles de référence rapide
- 1.10 mils par ampère - Approximation rapide pour cuivre 1oz, externe, élévation 10°C
- 2.Doubler pour interne - Les couches internes nécessitent 2x la largeur de piste
- 3.Ajouter 50% de marge - Concevez toujours avec une marge de sécurité pour les transitoires
- 4.Utiliser des remplissages de cuivre - Pour des courants supérieurs à 3A, envisagez des remplissages de polygone au lieu de pistes
- 5.Vérifier la chute de tension - Les pistes longues ou les tensions faibles nécessitent des pistes plus larges pour la chute IR
- 6.Attention au chemin de retour - Les pistes GND transportent le même courant que l'alimentation
Quand utiliser des remplissages de cuivre au lieu de pistes
- Le courant dépasse 5A continu
- Besoin de dissipation de chaleur significative
- Plusieurs charges parallèles partageant un rail d'alimentation
- L'espace n'est pas contraint
- Les exigences EMI/EMC nécessitent des plans solides
Stratégie de vias thermiques
Pour les conceptions à courant élevé, les vias thermiques aident à dissiper la chaleur des couches internes :
- Placez les vias le long de la longueur de la piste, pas seulement aux extrémités
- Utilisez des vias de perçage de 0,3mm, pad de 0,6mm - standard et économique
- Espacement : espacés de 1-2mm le long de la piste
- Connectez au remplissage de cuivre sur le côté opposé pour agir comme dissipateur thermique
12. Limites de fabrication JLCPCB
Lors de la conception pour JLCPCB (ou fabricants similaires à faible coût), gardez ces limites à l'esprit :
| Paramètre | Standard (Gratuit) | Avancé ($$$) |
|---|---|---|
| Largeur minimale de piste | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Espacement minimal de piste | 6 mil (0.15mm) | 3.5 mil (0.09mm) |
| Poids du cuivre | 1oz / 2oz | Jusqu'à 6oz |
| Taille de perçage de via | 0.3mm minimum | 0.15mm minimum |
| Épaisseur maximale de carte | 2.0mm | 4.0mm |
Conseil d'intégration EasyEDA
Lors de l'utilisation d'EasyEDA avec JLCPCB, les règles de conception sont automatiquement définies sur les capacités standard de JLCPCB. Vérifiez Design → Design Rule Check pour vérifier que vos largeurs de piste répondent aux exigences de fabrication avant de commander.
Résumé : Organigramme de sélection de largeur de piste
- Déterminer le courant maximum - Inclure les transitoires, démarrage, pire cas
- Choisir le poids du cuivre - 1oz standard, 2oz pour >3A
- Sélectionner l'élévation de température - 10°C conservateur, 20°C typique
- Identifier la couche - Externe préférée pour courant élevé
- Calculer avec IPC-2221 - Utiliser les tableaux ou le calculateur
- Ajouter une marge de sécurité - Minimum 50%, plus pour les chemins critiques
- Vérifier la chute de tension - Pour les pistes longues ou les tensions faibles
- Vérifier le DRC - S'assurer que les minimums du fabricant sont respectés
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