PCB走線寬度與電流表詳解

博客作者：Zachariah Peterson

銅是一種具有高熔點的強導體，但仍應盡力保持較低的溫度。您需要適當調整電源導軌寬度，使溫度保持在一定限值內。不過，這時您需要考慮在給定走線中流動的電流。使用電源軌、高壓元件和電路板的其他對熱敏感的部分時，您可以使用PCB走線寬度與電流表來確定您需要在布局中使用的電源走線寬度。

另一種選擇是使用基于IPC-2152或IPC-2221標準的計算器。有必要學會如何閱讀IPC標準中的等效走線寬度與電流圖表，因為PCB走線寬度與電流表并不總是全面的。我們將在本文中回顧您需要的資源。

在高電流設計中保持低溫

在PCB設計和布線方面經常出現的一個難題是，確定在給定電流值的情況下將設備的溫度保持在一定限度內所需的推薦電源線寬度，或相反。典型的操作目標是將電路板中的導體溫升保持在10-20°C以內。高電流設計的目標是確定走線寬度和銅重量的大小，以便將溫升保持在所需工作電流的某個限制范圍內。

IPC制定了與適當方法相關的標準，以針對特定輸入電流測試和計算PCB走線的溫升。這些標準是IPC-2221和IPC-2152，包含有關這些主題的大量信息。顯然，這些標準非常廣泛，大多數設計人員沒有時間解析所有數據以確定走線寬度與電流表的關系。值得慶幸的是，我們整理了一些資源來幫助您將電流與溫升聯系起來：

PCB走線寬度與電流表

IPC 2152標準是確定走線和過孔大小時的起點。這些標準中指定的公式可直接用于計算給定溫升的電流限制，但它們并未考慮受控阻抗布線。也就是說，在確定PCB走線寬度/橫截面積時，使用PCB走線寬度與電流表對比是一個很好的起點。這使您可以有效地確定走線中允許電流的上限，然后您可以使用它來調整走線大小以進行受控阻抗布線。

當電路板在大電流下運行，溫升達到非常大的值時，基板的電氣性能會在高溫下表現出相應的變化?；宓碾姎夂?a href="http://www.qd573.com/v/tag/1472/" target="_blank">機械性能會隨溫度變化，如果長時間在高溫下運行，電路板會變色和變弱。這就是我認識的設計師會調整走線尺寸以使溫升保持在10°C以內的原因之一。這樣做的另一個原因是為了適應廣泛的環境溫度范圍，而不是考慮特定的工作溫度。

下面的PCB電源走線寬度與電流表顯示了一些走線寬度和相應的電流值，它們將在1 oz./sq. ft.銅重量時將溫度上升限制在10°C。這應該可以讓您大致了解如何調整PCB中的走線尺寸。

上表適用于許多通常采用標準工藝生產的PCB，其目標是非常保守的可接受溫升（10°C）。它也適用于大多數含有標準銅箔的層壓板（1 oz./sq. ft.）。

您可能已經注意到此表中的兩點：

不同的走線厚度/銅重量。走線厚度需要根據電路板中的銅重量計算。我們上面只包括標準的1 oz/sq. ft.值。不過，將在高電流下運行的電路板通常需要更重的銅以適應更高的溫升。

替代基板。以上數據是為FR4編制的，它將涵蓋廣泛用于生產的PCB。不過，高級應用可能需要鋁芯PCB、陶瓷基板或具有替代樹脂系統的高級高速層壓板。如果您使用熱導率較高的基板，那么走線的溫度會較低，因為更多的熱量會從溫暖的走線中散發出去。對于一階近似值，溫升將按所需基板材料的熱導率與FR4的熱導率之比進行縮放。

使用IPC 2152列線圖

如果您想在內層或外層使用不同的銅重量，那么一個方便的工具是IPC 2152標準的列線圖集。該表提供了一個簡單工具，以確定特定電流和溫升的導體尺寸?；蛘?，如果您已經選擇了電源PCB走線寬度電流，則可以確定將產生特定溫升的電流。使用此工具，無需查找或構建IPC-2152計算器，即可直觀地驗證走線設計中的電流限制。

以下命名法中的兩個示例對此進行了說明。請注意，下圖僅針對內部走線的定義。要查看此圖的相同版本的外部走線，請參閱Jeff Loyer的這篇文章。

IPC 2152列線圖，用于PCB電源走線寬度與電流和溫升的關系。圖片由StackExchange上的用戶Daniel Grillo修改。

紅色箭頭顯示如何確定所需電源走線寬度、銅重量（即走線橫截面積）和溫升的最大電流。在此示例中，首先選擇導體寬度（140 mil），然后將紅色箭頭水平追蹤到所需的銅重量（1 oz/sq. ft.）。然后我們垂直追蹤到所需的溫升（10 °C），然后我們追蹤回Y軸以找到相應的電流限制（~2.75 A）。

橙色箭頭指向另一個方向。我們從所需電流（1 A）開始，水平追蹤到我們所需的溫升（30 °C）。然后我們垂直向下追蹤以確定走線尺寸。在此示例中，假設我們指定0.5 oz/sq. ft.銅重量。向下追蹤到這條線后，我們水平追蹤回到Y軸，找到約40 mil的導體寬度。假設我們想使用重量為1 oz/sq. ft.的銅；在這種情況下，我們會發現所需的電源走線寬度為20 mil。

如果您使用Altium Designer，將可以使用包含IPC-2221計算器的布線工具，該計算器可確定20°C目標溫升的追蹤電流限制。Altium Designer中強大的PCB走線寬度布局和布線工具建立在統一的設計模型上，允許您在設計規則中指定所需的走線和尺寸。當設計完成并準備將文件遞交給制造商時，Altium 365平臺可以輕松地協作并共享您的項目。

審核編輯：湯梓紅