PCB走線(xiàn)電(diàn)流容量在设计中的作用(yòng)

2021-04-25

PCB走線(xiàn)電(diàn)流容量在设计中的作用(yòng)

当涉及PCB设计时，PCB走線(xiàn)電(diàn)流容量所构成的限制至关重要。虽然IPC-2221通用(yòng)设计指南是一个很(hěn)好的起点，但PCB走線(xiàn)宽度计算器提供了可(kě)用(yòng)于電(diàn)路板设计的准确值。 

PCB上的走線(xiàn)的電(diàn)流容量由走線(xiàn)宽度，走線(xiàn)厚度，所需的最大温升以及走線(xiàn)是在内层还是外层以及是否被阻焊剂覆盖等参数决定。 

在本文(wén)中，我们将讨论：

PCB走線(xiàn)宽度

PCB走線(xiàn)载流量

大電(diàn)流PCB

高電(diàn)流PCB布局准则

大電(diàn)流PCB的设计技巧

PCB走線(xiàn)宽度计算器

什么是PCB走線(xiàn)宽度？

PCB走線(xiàn)或PCB走線(xiàn)是PCB上的铜导體(tǐ)，可(kě)在PCB表面传导信号。蚀刻后留下的是铜箔的平坦狭窄部分(fēn)。流过铜迹線(xiàn)的電(diàn)流会产生大量的热量。正确校准的PCB走線(xiàn)宽度和厚度有(yǒu)助于最大程度地减少電(diàn)路板上的热量积聚。迹線(xiàn)越宽，对電(diàn)流的阻抗越低，并且热量累积越少。如下图所示，PCB走線(xiàn)宽度是走線(xiàn)的水平尺寸，而厚度是走線(xiàn)的垂直尺寸。 

PCB走線(xiàn)结构

PCB的开发总是从默认走線(xiàn)宽度开始的。但是，这样的默认走線(xiàn)宽度并不总是适合于所需的PCB。这是因為(wèi)您需要通过考虑走線(xiàn)的電(diàn)流承载能(néng)力来确定走線(xiàn)宽度。

确定正确的走線(xiàn)宽度时，有(yǒu)几个因素需要考虑：

铜层厚度–铜厚度是PCB上的实际走線(xiàn)厚度。大電(diàn)流PCB的默认铜厚度约為(wèi)1盎司（35微米）到2盎司（70微米）

导線(xiàn)的截面积– PCB上更高的功率要求要求走線(xiàn)具有(yǒu)更大的截面积。这与走線(xiàn)宽度成正比。

迹線(xiàn)的位置–底层或顶层或内层

您如何设计大電(diàn)流PCB？

数字，RF和電(diàn)源電(diàn)路主要处理(lǐ)或传输低功率信号。这些应用(yòng)的铜重量為(wèi)1-2oz，载流電(diàn)流為(wèi)mA至1A或2A。在某些应用(yòng)中，例如電(diàn)机控制，需要高达50A的電(diàn)流，这将需要PCB上的铜重量更大和走線(xiàn)宽度更大。

针对高電(diàn)流需求的常规设计方法是加宽铜走線(xiàn)并将走線(xiàn)的厚度增加到2oz。这将增加板上的空间要求以及板上的层数。

高電(diàn)流PCB布局准则

 这些是设计和制造大電(diàn)流PCB的准则：

保持高電(diàn)流走線(xiàn)短

较長(cháng)的走線(xiàn)具有(yǒu)较高的電(diàn)阻值，并且还承载较高的電(diàn)流，从而导致较大的功率损耗。由于功率损耗会产生热量，因此電(diàn)路板寿命会缩短。因此，保持承载大電(diàn)流的走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短至关重要。

在适当的温度上升下计算走線(xiàn)宽度

迹線(xiàn)宽度是变量的函数，例如電(diàn)阻和通过它的電(diàn)流以及允许的温度上升。常规地，在高于25℃的环境温度时允许10℃的温度升高。如果板的材料和设计允许，甚至可(kě)以允许温度升高20°C。 

将敏感组件与热隔离

某些電(diàn)子组件，例如電(diàn)压基准，模数转换器和运算放大器，对温度变化敏感。当这些组件受热时，它们的信号可(kě)能(néng)会改变。

已知大電(diàn)流板会发热，因此需要将上述组件与热点进行一定程度的热隔离。您可(kě)以通过在板上开孔并提供散热装置来实现此目的。 

取下阻焊膜

為(wèi)了增加走線(xiàn)的電(diàn)流能(néng)力，您可(kě)以去除阻焊层，该阻焊层暴露出下面的铜。然后，可(kě)以将其他(tā)焊料添加到走線(xiàn)上，这将增加走線(xiàn)的厚度并降低電(diàn)阻。这将允许更多(duō)的電(diàn)流流过走線(xiàn)，而不会增加走線(xiàn)宽度，也不会增加额外的铜厚度。

在大電(diàn)流分(fēn)量下使用(yòng)多(duō)边形浇注

现场可(kě)编程门阵列（FPGA）和处理(lǐ)器采用(yòng)球栅阵列（BGA）和線(xiàn)栅阵列（LGA）封装，对電(diàn)流的要求很(hěn)高。為(wèi)了实现高電(diàn)流流动，您可(kě)以在芯片正下方倒入方形多(duō)边形，然后将过孔下拉并连接到它们。然后，您可(kě)以将多(duō)边形浇筑链接到较粗的電(diàn)源走線(xiàn)或電(diàn)源平面。

将铜倒在IC下

将内部层用(yòng)于大電(diàn)流路径

如果PCB的外层没有(yǒu)足够的空间放置较厚的走線(xiàn)，则可(kě)以在内部板层中实心填充。接下来，您可(kě)以使用(yòng)过孔链接到存在于外层的高電(diàn)流设备。

添加铜条以获得非常高的電(diàn)流

電(diàn)流超过100A的電(diàn)动汽車(chē)和大功率逆变器，铜走線(xiàn)可(kě)能(néng)不是传输功率和信号的最佳方法。在这种情况下，您可(kě)以使用(yòng)可(kě)焊接到PCB焊盘上的铜汇流排。铜汇流排的厚度比走線(xiàn)厚得多(duō)，并且可(kě)以根据需要承载高電(diàn)流而没有(yǒu)任何发热问题。

母線(xiàn)上的PCB

使用(yòng)通孔缝合在承载大電(diàn)流的多(duō)层上进行多(duō)条走線(xiàn)

当走線(xiàn)不能(néng)在单层中承载所需的電(diàn)流时，走線(xiàn)可(kě)以在多(duō)层上布線(xiàn)，并通过将各层链接在一起的缝合方式进行处理(lǐ)。在两层走線(xiàn)厚度相同的情况下，这将增加载流能(néng)力。 

什么是PCB走線(xiàn)宽度计算器？

迹線(xiàn)宽度取决于许多(duō)因素，例如铜层厚度，迹線(xiàn)的迹線(xiàn)位置長(cháng)度等，因此很(hěn)难手动计算准确的值。这就是為(wèi)什么大多(duō)数生产PCB的企业都提供工具来计算走線(xiàn)宽度的原因。PCB走線(xiàn)宽度计算器是一种工具，它考虑了上述所有(yǒu)因素，可(kě)為(wèi)所需的走線(xiàn)宽度提供准确的值。

根据IPC-2221印刷電(diàn)路板设计通用(yòng)标准，PCB走線(xiàn)電(diàn)流限制可(kě)以进一步分(fēn)為(wèi)内部导體(tǐ)和外部导體(tǐ)。下图显示了与走線(xiàn)宽度相关的不同变量之间的关系。这些变量是迹線(xiàn)横截面积，温度升高以及外部导體(tǐ)和内部导體(tǐ)的最大载流能(néng)力。

電(diàn)流VS 外部导體(tǐ)的横截面图

导體(tǐ)宽度Vs。横截面图

電(diàn)流VS 内部导體(tǐ)的横截面图

根据这些图，下面给出了计算载流量的公式：

I = KΔT0.44 A 0.75

K =内部导體(tǐ)為(wèi)0.024，外部导體(tǐ)為(wèi)0.048

ΔT=以°C為(wèi)单位的最大温差

A =以mil²為(wèi)单位的铜走線(xiàn)的截面积

I =载流量（安培）

现有(yǒu)的PCB走線(xiàn)宽度计算器仍然基于图表中的数据和上面给出的公式。它们是PCB设计人员使用(yòng)的便捷工具，可(kě)以非常精确地计算走線(xiàn)宽度。该表中提到了温度升高10°C时2盎司铜的最大载流量。

最大電(diàn)流容量（安培）	外部层的最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度（mil）	内层的最小(xiǎo)走線(xiàn)宽度（密耳）
2个	42.39	110.28
4	110.28	286.89
6	192.92	501.88
8	286.89	746.33
10	390.29	1015.32

在确定走線(xiàn)電(diàn)流容量时，有(yǒu)复杂的因素在起作用(yòng)。但是，PCB设计人员可(kě)以依靠走線(xiàn)厚度计算器的可(kě)靠性来帮助有(yǒu)效地设计其電(diàn)路板。在设计可(kě)靠且高性能(néng)的PCB时，正确设置走線(xiàn)宽度及其载流能(néng)力可(kě)能(néng)会走很(hěn)長(cháng)一段路。