PCB走線電流容量在設計中的作用

2021-04-25

PCB走線電流容量在設計中的作用

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

PCB上的走線的電流容量由走線寬度，走線厚度，所需的最大溫升以及走線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走線寬度

PCB走線載流量

大電流PCB

高電流PCB布局準則

大電流PCB的設計技巧

PCB走線寬度計算器

什么是PCB走線寬度？

PCB走線或PCB走線是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。流過銅跡線的電流會產生大量的熱量。正確校準的PCB走線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走線寬度是走線的水平尺寸，而厚度是走線的垂直尺寸。 

PCB走線結構

PCB的開發總是從默認走線寬度開始的。但是，這樣的默認走線寬度并不總是適合于所需的PCB。這是因為您需要通過考慮走線的電流承載能力來確定走線寬度。

確定正確的走線寬度時，有幾個因素需要考慮：

銅層厚度–銅厚度是PCB上的實際走線厚度。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）

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

跡線的位置–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寬度更大。

針對高電流需求的常規設計方法是加寬銅走線并將走線的厚度增加到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：

保持高電流走線短

較長的走線具有較高的電阻值，并且還承載較高的電流，從而導致較大的功率損耗。由于功率損耗會產生熱量，因此電路板壽命會縮短。因此，保持承載大電流的走線盡可能短至關重要。

在適當的溫度上升下計算走線寬度

跡線寬度是變量的函數，例如電阻和通過它的電流以及允許的溫度上升。常規地，在高于25℃的環境溫度時允許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，它們的信號可能會改變。

已知大電流板會發熱，因此需要將上述組件與熱點進行一定程度的熱隔離。您可以通過在板上開孔并提供散熱裝置來實現此目的。 

取下阻焊膜

為了增加走線的電流能力，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上，這將增加走線的厚度并降低電阻。這將允許更多的電流流過走線，而不會增加走線寬度，也不會增加額外的銅厚度。

在大電流分量下使用多邊形澆注

現場可編程門陣列（FPGA）和處理器采用球柵陣列（BGA）和線柵陣列（LGA）封裝，對電流的要求很高。為了實現高電流流動，您可以在芯片正下方倒入方形多邊形，然后將過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的外層沒有足夠的空間放置較厚的走線，則可以在內部板層中實心填充。接下來，您可以使用過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100A的電動汽車和大功率逆變器，銅走線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焊盤上的銅匯流排。銅匯流排的厚度比走線厚得多，并且可以根據需要承載高電流而沒有任何發熱問題。

母線上的PCB

使用通孔縫合在承載大電流的多層上進行多條走線

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

什么是PCB走線寬度計算器？

跡線寬度取決于許多因素，例如銅層厚度，跡線的跡線位置長度等，因此很難手動計算準確的值。這就是為什么大多數生產PCB的企業都提供工具來計算走線寬度的原因。PCB走線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走線電流限制可以進一步分為內部導體和外部導體。下圖顯示了與走線寬度相關的不同變量之間的關系。這些變量是跡線橫截面積，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為單位的銅走線的截面積

I =載流量（安培）

現有的PCB走線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寬度。該表中提到了溫度升高10°C時2盎司銅的最大載流量。

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

在確定走線電流容量時，有復雜的因素在起作用。但是，PCB設計人員可以依靠走線厚度計算器的可靠性來幫助有效地設計其電路板。在設計可靠且高性能的PCB時，正確設置走線寬度及其載流能力可能會走很長一段路。