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PCB Trace Designer

Dimensiona le piste di un circuito stampato: la larghezza minima per portare una corrente con un dato riscaldamento (curva IPC-2221), la resistenza e la caduta di tensione; e l'impedenza caratteristica di microstrip e stripline, con design inverso verso 50, 90 o 100 Ω. Strumento dimostrativo.

Strumento PCB trace designer

Specifica corrente

Larghezza minima dalla curva IPC-2221 (ex IPC-D-275). La resistenza e la caduta di tensione usano la larghezza calcolata e la lunghezza data. Modello ingegneristico di stima: per layout di produzione usa un field-solver.

Risultato

Larghezza — mil — mm
Area sezione
— mil²
Resistenza DC
—
Caduta di tensione
—

Come funziona

Come si calcola la larghezza di una pista?

Una pista che porta corrente si scalda per effetto Joule. La norma IPC-2221 lega la corrente continua I al riscaldamento ammesso ΔT e all’area di rame: A = (I / (k·ΔT^0,44))^(1/0,725), poi w = A / (t·1,378). La costante k vale 0,048 per piste esterne e 0,024 per quelle interne; più rame (oz) dà una pista più stretta.

Una pista che porta corrente si scalda per effetto Joule. La norma IPC-2221 (erede della IPC-D-275) lega la corrente continua I al riscaldamento ammesso ΔT sopra l'ambiente e all'area della sezione di rame con una legge empirica. Invertendola si ottiene l'area minima, e dividendo per lo spessore del rame la larghezza:

La costante k dipende dallo strato: k = 0.048 per piste esterne (raffreddate dall\'aria) e k = 0.024 per piste interne, che dissipano peggio. Dimezzare k non raddoppia la larghezza: l\'esponente è 1/0,725, quindi il fattore è 21/0,725 ≈ 2,6. Lo spessore si misura in once (oz): 1 oz ≈ 35 µm ≈ 1.378 mil di rame; più rame = pista più stretta a parità di corrente.

Perché ΔT e il derating contano?

ΔT è la scelta di progetto: 10 °C è conservativo, 20–30 °C comune nell’elettronica di consumo, ma va sommato alla temperatura ambiente e a quella dei componenti vicini. La curva IPC vale per piste isolate in aria ferma; su una scheda densa il riscaldamento reale è peggiore, quindi si applica un derating scegliendo un ΔT più basso e lasciando margine.

Il ΔT ammesso è una scelta di progetto, non un dato. Un ΔT di 10 °C è conservativo, 20–30 °C è comune nell'elettronica di consumo, ma va sommato alla temperatura ambiente massima e a quella degli altri componenti vicini. La curva IPC è ricavata su piste isolate in aria ferma: in una scheda densa, vicino a sorgenti di calore o con poco rame intorno, il riscaldamento reale è peggiore. Per questo si applica un derating — si sceglie un ΔT più basso del limite — e si lascia margine. La resistenza DC e la caduta di tensione si ricavano dalla resistività del rame:

con ρ₂₀ ≈ 1.724·10⁻⁸ Ω·m e α ≈ 0.00393 /°C: il rame è un conduttore PTC, la sua resistenza cresce con la temperatura. Una caduta di tensione apparentemente piccola sulla linea di alimentazione può fare la differenza su una distribuzione a basse tensioni.

Cosa sono microstrip e stripline?

Ad alta frequenza una pista è una linea di trasmissione con una propria impedenza caratteristica Z₀, fissata da geometria e dielettrico. La microstrip corre su uno strato esterno con un solo piano di massa sotto: più semplice, ma parte del campo viaggia in aria. La stripline è sepolta fra due piani: campo tutto nel dielettrico, miglior schermatura, ma più stretta a parità di Z₀.

Quando il segnale sale in frequenza (clock veloci, bus seriali, RF), una pista non è più un semplice filo: è una linea di trasmissione con una propria impedenza caratteristica Z₀, fissata dalla geometria e dal dielettrico. Le due topologie più comuni:

  • Microstrip — pista su uno strato esterno con un solo piano di massa sotto, separato dal dielettrico di altezza h. Più semplice da fabbricare, ma parte del campo viaggia nell\'aria (εr efficace minore) ed è esposta alle emissioni.
  • Stripline — pista sepolta in uno strato interno fra due piani di massa distanti b. Campo interamente nel dielettrico, miglior schermatura e crosstalk minore, a prezzo di una pista più stretta a parità di Z₀ e di uno stack-up più complesso.
Sezione di una microstrip: traccia di rame su un dielettrico (altezza h, εr) sopra un piano di massa; larghezza w, spessore t. Sezione di una stripline: traccia di rame immersa nel dielettrico tra due piani di massa distanti b.
Microstrip (un piano di massa) e stripline (due piani): w larghezza, t spessore del rame, h/b altezza del dielettrico, εr costante dielettrica.

Perché serve l’impedenza controllata?

L’impedenza controllata evita le riflessioni: se linea, sorgente e carico non sono adattati, un fronte veloce torna indietro creando overshoot, ringing e degrado dell’occhio. La regola è mantenere Z₀ costante lungo tutto il percorso, senza cambi bruschi di larghezza o piano di riferimento. Valori tipici: 50 Ω single-ended, 90 Ω differenziale (USB), 100 Ω differenziale (LVDS, Ethernet, PCIe, HDMI).

L'impedenza controllata serve a evitare le riflessioni: se la linea, la sorgente e il carico non sono adattati, un fronte veloce torna indietro creando overshoot, ringing e degrado dell'occhio. La regola è mantenere Z₀ costante lungo tutto il percorso — niente cambi bruschi di larghezza, di piano di riferimento o di stack-up. Le impedenze tipiche sono standard di interfaccia:

  • 50 Ω single-ended — il default di RF, clock e bus a riferimento singolo.
  • 90 Ω differenziale — USB 2.0/3.x.
  • 100 Ω differenziale — LVDS, Ethernet, PCIe, HDMI.

Il design inverso fissa il dielettrico e lo spessore di rame e risolve per bisezione la larghezza w che dà l'impedenza obiettivo (Z₀ è monotòna decrescente in w). Per una coppia differenziale, parti dal valore single-ended equivalente e affina poi sullo stack-up reale del fornitore.

Stime ingegneristiche conformi al modello IPC-2221; non sostituiscono un field-solver 2D.

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