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Leiterbahnbreite und gleiche Längen

Wie breit eine Leiterbahn für ihren Strom sein muss (IPC-2221), warum Masse eine Kupferfläche will und welche Paare, etwa USB D+ und D-, gleich lang sein sollten.

Was es ist#

Eine Leiterbahn ist ein dünner Kupferstreifen, und Kupfer hat einen Widerstand. Der Strom durch sie wird zu Wärme, also muss eine Bahn mit mehr Strom breiter sein. Signale führen fast nichts; eine Versorgung für einen LED-Streifen oder einen Motor führt Ampere.

Faustregeln#

  • Signale: 0.2–0.25 mm. Schmaler geht, ist aber schwerer zu löten und zu reparieren.
  • Versorgungen: nach Strom mit der Tabelle unten bemessen. PCB Canvas schlägt für eine Versorgung mindestens 0.3 mm vor, auch wenn die Formel weniger erlaubt: der Spannungsabfall bleibt klein und die Bahn übersteht Nacharbeit.
  • GND: eine Massefläche auf beiden Lagen schlägt jede Leiterbahn.
  • Nie unter dem Minimum des Herstellers: JLCPCB fertigt 0.10 mm, der Standardpreis gilt ab 0.127 mm (Platinen-Setup → Regeln).

Die IPC-2221-Tabelle#

IPC-2221 verknüpft Strom, Erwärmung und Kupferquerschnitt: I = k · ΔT^0.44 · A^0.725, mit I in Ampere, ΔT in °C, A in Quadrat-mil, k = 0.048 für Bahnen oben und unten und 0.024 für Innenlagen. Kupfer mit einer Unze ist 35 µm dick. Die Breiten unten gelten für Außenlagen:

Strom 1 oz, +10 °C 1 oz, +20 °C 2 oz, +10 °C
0.5 A 0.12 mm 0.08 mm 0.06 mm
1 A 0.30 mm 0.20 mm 0.15 mm
1.5 A 0.53 mm 0.35 mm 0.26 mm
2 A 0.78 mm 0.51 mm 0.39 mm
3 A 1.37 mm 0.90 mm 0.68 mm
5 A 2.77 mm 1.82 mm 1.38 mm

10 °C Erwärmung sind sanft; die Vorschläge rechnen damit. Innenlagen einer 4-Lagen-Platine kühlen schlechter und brauchen etwa die 2.6-fache Breite. Der Tab Strom im Platinen-Setup rechnet jeden anderen Fall.

Wie viel Strom?#

„Netzklassen vorschlagen“ (Platinen-Setup → Netzklassen, und von selbst nach Platine aktualisieren) schätzt ihn aus den Bauteilen an jedem Netz und zeigt die Begründung:

  • USB-C VBUS: 1.5 A. Ein einfacher Port nach USB 2.0 liefert 0.5 A; eine Sicherung am Netz begrenzt die Schätzung auf ihren Nennwert.
  • Hohlstecker: 2 A. Ein Linearregler: 0.5 A. Ein Abwärtswandler: 2 A, auch am Schaltknoten und hinter seiner Spule.
  • Versorgung eines ESP32-Moduls: 0.5 A für die WLAN-Spitzen.
  • MOSFET-Ausgänge und LED-Streifen-Anschlüsse: deine Lasteinstellung (Standard 2 A). Eine Versorgung für vier Ausgänge mit 2 A führt 8 A.
  • GND: der größte Versorgungsstrom, der über sie zurückfließt.

Beispiele: eine USB-C-Platine mit einer 500 mA-Sicherung braucht auf VBUS nur 0.3 mm. Ein Streifen mit 60 LEDs vom Typ WS2812B zieht bei vollem Weiß bis zu 2.2 A, seine 5V-Bahn will also 0.8 mm. Vier Ausgänge mit 2 A an 12V brauchen 5.3 mm, als Kupferfläche einfacher.

Die Vorschläge machen ein Netz nie schmaler und ändern nie eine Klasse, die du angelegt hast. Übernehmen ist ein Rückgängig-Schritt.

Beispielschaltung: Ein LED-Streifen an J3: STRIP_DIN kennzeichnet ihn als Streifen, also werden 5V und GND für deine Lasteinstellung bemessen, 0.8 mm für 2 A.
Ein LED-Streifen an J3: STRIP_DIN kennzeichnet ihn als Streifen, also werden 5V und GND für deine Lasteinstellung bemessen, 0.8 mm für 2 A. Öffne das Beispiel screw_terminal_strip von dieser Seite in PCB Canvas: „In meinen Schaltplan einfügen“.

Leiterbahnen gleicher Länge#

Manche Signale reisen als Paar, eines das Spiegelbild des anderen. Der Empfänger wertet die Differenz aus, also sollten beide gleichzeitig ankommen und nebeneinander laufen. PCB Canvas findet sie über Pin- und Netznamen und sagt es dir im Inspektor, im Hinweis des Leiterbahn-Werkzeugs und nach dem Routen als DRC-Warnung:

Paar Wie es gefunden wird Warnung über
USB D+/D- Pins D+/D-, DP/DM, Netze USB_DP/USB_DN 0.5 mm
CAN H/L Netze CANH/CANL 5 mm
Andere differenzielle Paare Netze mit _P/_N oder +/- am Ende 0.5 mm

USB: was wirklich zählt#

  • Full Speed (12 Mbit/s), den ESP32-C3, ESP32-S3 und RP2040 nutzen, ist gutmütig: die Flanken sind langsam gegenüber ein paar Millimetern Bahn. D+ und D- zusammen und kurz halten; die Warnung bei 0.5 mm ist eine gute Gewohnheit, keine harte Grenze.
  • High Speed (480 Mbit/s) will 90 Ω differenzielle Impedanz (±15 %) und gleiche Längen. TI verlangt weniger als 1.27 mm (50 mil) Unterschied; Renesas erlaubt 2.5 mm.
  • Ehrlich gesagt: auf einer 1.6 mm dicken 2-Lagen-Platine liegt die Masse weit unter den Bahnen, also braucht 90 Ω eine Geometrie, die die Pads des USB-Steckers nicht zulassen. Eine Hobby-Platine trifft das nicht genau. Kurze Bahnen, keine Vias, eine durchgehende Massefläche unter dem Paar und gleiche Längen kannst du tun, und für Full Speed reicht das.
Beispielschaltung: USB_DP und USB_DN laufen nebeneinander durch den ESD-Schutz; nach dem Routen warnt DRC, wenn ihre Längen um mehr als 0.5 mm abweichen.
USB_DP und USB_DN laufen nebeneinander durch den ESD-Schutz; nach dem Routen warnt DRC, wenn ihre Längen um mehr als 0.5 mm abweichen. Öffne das Beispiel usb_esd von dieser Seite in PCB Canvas: „In meinen Schaltplan einfügen“.

Stolperfallen#

  • Dünne Versorgungsbahnen. Sie werden warm, und die Spannung fällt entlang der Bahn: ein entfernter Regler sieht weniger als er sollte.
  • Vias in Versorgungen. Ein kleines Via trägt ungefähr so viel wie eine schmale Bahn; ab einem Ampere zwei oder mehr verwenden.
  • Getrenntes Paar. Führt D+ links um ein Bauteil und D- rechts herum, entsteht eine Schleife, die Störungen einfängt.

Quellen#

  • IPC-2221B, Generic Standard on Printed Board Design, Abschnitt 6.2 und das Stromdiagramm (die Formel ist die Kurvenanpassung der üblichen Rechner).
  • JLCPCB PCB capabilities (jlcpcb.com/capabilities/pcb-capabilities): kleinste Bahn und kleinster Abstand.
  • USB-Type-C-Spezifikation: Standardleistung von USB 2.0 500 mA, Type-C-Strom 1.5 A und 3 A.
  • TI-Datenblatt TUSB4041, Layout-Hinweise: Längenunterschied eines Paars für USB 2.0 unter 50 mil. TI-Datenblatt BQ24392: differenziell 90 Ω ±15 %.
  • Renesas RZ/A1, Richtlinien für Platinen mit USB 2.0 High Speed: Längenunterschied D+/D- höchstens 2.5 mm.