PCB走線(xiàn)電流容量在設計中的作用

2021-04-25

PCB走線(xiàn)電流容量在設計中的作用

當涉及PCB設計時(shí)，PCB走線(xiàn)電流容量所構成的限制至關(guān)重要。雖然IPC-2221通用設計指南是一個(gè)很好的起點(diǎn)，但PCB走線(xiàn)寬度計算器提供了可用于電路板設計的準確值。 

PCB上的走線(xiàn)的電流容量由走線(xiàn)寬度，走線(xiàn)厚度，所需的最大溫升以及走線(xiàn)是在內層還是外層以及是否被阻焊劑覆蓋等參數決定。 

在本文中，我們將討論：

PCB走線(xiàn)寬度

PCB走線(xiàn)載流量

大電流PCB

高電流PCB布局準則

大電流PCB的設計技巧

PCB走線(xiàn)寬度計算器

什么是PCB走線(xiàn)寬度？

PCB走線(xiàn)或PCB走線(xiàn)是PCB上的銅導體，可在PCB表面傳導信號。蝕刻后留下的是銅箔的平坦狹窄部分。流過(guò)銅跡線(xiàn)的電流會(huì )產(chǎn)生大量的熱量。正確校準的PCB走線(xiàn)寬度和厚度有助于最大程度地減少電路板上的熱量積聚。跡線(xiàn)越寬，對電流的阻抗越低，并且熱量累積越少。如下圖所示，PCB走線(xiàn)寬度是走線(xiàn)的水平尺寸，而厚度是走線(xiàn)的垂直尺寸。 

PCB走線(xiàn)結構

PCB的開(kāi)發(fā)總是從默認走線(xiàn)寬度開(kāi)始的。但是，這樣的默認走線(xiàn)寬度并不總是適合于所需的PCB。這是因為您需要通過(guò)考慮走線(xiàn)的電流承載能力來(lái)確定走線(xiàn)寬度。

確定正確的走線(xiàn)寬度時(shí)，有幾個(gè)因素需要考慮：

銅層厚度–銅厚度是PCB上的實(shí)際走線(xiàn)厚度。大電流PCB的默認銅厚度約為1盎司（35微米）到2盎司（70微米）

導線(xiàn)的截面積– PCB上更高的功率要求要求走線(xiàn)具有更大的截面積。這與走線(xiàn)寬度成正比。

跡線(xiàn)的位置–底層或頂層或內層

您如何設計大電流PCB？

數字，RF和電源電路主要處理或傳輸低功率信號。這些應用的銅重量為1-2oz，載流電流為mA至1A或2A。在某些應用中，例如電機控制，需要高達50A的電流，這將需要PCB上的銅重量更大和走線(xiàn)寬度更大。

針對高電流需求的常規設計方法是加寬銅走線(xiàn)并將走線(xiàn)的厚度增加到2oz。這將增加板上的空間要求以及板上的層數。

高電流PCB布局準則

 這些是設計和制造大電流PCB的準則：

保持高電流走線(xiàn)短

較長(cháng)的走線(xiàn)具有較高的電阻值，并且還承載較高的電流，從而導致較大的功率損耗。由于功率損耗會(huì )產(chǎn)生熱量，因此電路板壽命會(huì )縮短。因此，保持承載大電流的走線(xiàn)盡可能短至關(guān)重要。

在適當的溫度上升下計算走線(xiàn)寬度

跡線(xiàn)寬度是變量的函數，例如電阻和通過(guò)它的電流以及允許的溫度上升。常規地，在高于25℃的環(huán)境溫度時(shí)允許10℃的溫度升高。如果板的材料和設計允許，甚至可以允許溫度升高20°C。 

將敏感組件與熱隔離

某些電子組件，例如電壓基準，模數轉換器和運算放大器，對溫度變化敏感。當這些組件受熱時(shí)，它們的信號可能會(huì )改變。

已知大電流板會(huì )發(fā)熱，因此需要將上述組件與熱點(diǎn)進(jìn)行一定程度的熱隔離。您可以通過(guò)在板上開(kāi)孔并提供散熱裝置來(lái)實(shí)現此目的。 

取下阻焊膜

為了增加走線(xiàn)的電流能力，您可以去除阻焊層，該阻焊層暴露出下面的銅。然后，可以將其他焊料添加到走線(xiàn)上，這將增加走線(xiàn)的厚度并降低電阻。這將允許更多的電流流過(guò)走線(xiàn)，而不會(huì )增加走線(xiàn)寬度，也不會(huì )增加額外的銅厚度。

在大電流分量下使用多邊形澆注

現場(chǎng)可編程門(mén)陣列（FPGA）和處理器采用球柵陣列（BGA）和線(xiàn)柵陣列（LGA）封裝，對電流的要求很高。為了實(shí)現高電流流動(dòng)，您可以在芯片正下方倒入方形多邊形，然后將過(guò)孔下拉并連接到它們。然后，您可以將多邊形澆筑鏈接到較粗的電源走線(xiàn)或電源平面。

將銅倒在IC下

將內部層用于大電流路徑

如果PCB的外層沒(méi)有足夠的空間放置較厚的走線(xiàn)，則可以在內部板層中實(shí)心填充。接下來(lái)，您可以使用過(guò)孔鏈接到存在于外層的高電流設備。

添加銅條以獲得非常高的電流

電流超過(guò)100A的電動(dòng)汽車(chē)和大功率逆變器，銅走線(xiàn)可能不是傳輸功率和信號的最佳方法。在這種情況下，您可以使用可焊接到PCB焊盤(pán)上的銅匯流排。銅匯流排的厚度比走線(xiàn)厚得多，并且可以根據需要承載高電流而沒(méi)有任何發(fā)熱問(wèn)題。

母線(xiàn)上的PCB

使用通孔縫合在承載大電流的多層上進(jìn)行多條走線(xiàn)

當走線(xiàn)不能在單層中承載所需的電流時(shí)，走線(xiàn)可以在多層上布線(xiàn)，并通過(guò)將各層鏈接在一起的縫合方式進(jìn)行處理。在兩層走線(xiàn)厚度相同的情況下，這將增加載流能力。 

什么是PCB走線(xiàn)寬度計算器？

跡線(xiàn)寬度取決于許多因素，例如銅層厚度，跡線(xiàn)的跡線(xiàn)位置長(cháng)度等，因此很難手動(dòng)計算準確的值。這就是為什么大多數生產(chǎn)PCB的企業(yè)都提供工具來(lái)計算走線(xiàn)寬度的原因。PCB走線(xiàn)寬度計算器是一種工具，它考慮了上述所有因素，可為所需的走線(xiàn)寬度提供準確的值。

根據IPC-2221印刷電路板設計通用標準，PCB走線(xiàn)電流限制可以進(jìn)一步分為內部導體和外部導體。下圖顯示了與走線(xiàn)寬度相關(guān)的不同變量之間的關(guān)系。這些變量是跡線(xiàn)橫截面積，溫度升高以及外部導體和內部導體的最大載流能力。

電流VS 外部導體的橫截面圖

導體寬度Vs。橫截面圖

電流VS 內部導體的橫截面圖

根據這些圖，下面給出了計算載流量的公式：

I = KΔT0.44 A 0.75

K =內部導體為0.024，外部導體為0.048

ΔT=以°C為單位的最大溫差

A =以mil2為單位的銅走線(xiàn)的截面積

I =載流量（安培）

現有的PCB走線(xiàn)寬度計算器仍然基于圖表中的數據和上面給出的公式。它們是PCB設計人員使用的便捷工具，可以非常精確地計算走線(xiàn)寬度。該表中提到了溫度升高10°C時(shí)2盎司銅的最大載流量。

最大電流容量（安培）	外部層的最小走線(xiàn)寬度（mil）	內層的最小走線(xiàn)寬度（密耳）
2個(gè)	42.39	110.28
4	110.28	286.89
6	192.92	501.88
8	286.89	746.33
10	390.29	1015.32

在確定走線(xiàn)電流容量時(shí)，有復雜的因素在起作用。但是，PCB設計人員可以依靠走線(xiàn)厚度計算器的可靠性來(lái)幫助有效地設計其電路板。在設計可靠且高性能的PCB時(shí)，正確設置走線(xiàn)寬度及其載流能力可能會(huì )走很長(cháng)一段路。