什么是電流密度？電流密度過高帶來的問題有哪些？

1.概述

在電磁學(xué)里，電流密度(Current Density)以矢量的形式定義，描述電路中某點(diǎn)的電流強(qiáng)弱和流動(dòng)方向。其大小等于單位時(shí)間內(nèi)通過某一單位面積的電量，方向向量為單位面積相應(yīng)截面的法向量，指向由正電荷通過此截面的指向確定。單位是安培每平方米，記作A/m2。 它在物理中一般用J表示。

2.計(jì)算公式

3.三種電流密度形式

體電流密度

電荷在某一體積內(nèi)定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為體電流。一般情況下，在導(dǎo)體內(nèi)某一截面上不同的點(diǎn)，電流的大小和方向往往是不同的。為了描述該截面上的電流分布，引入電流密度矢量J其定義為：空間任一點(diǎn)J的方向是該點(diǎn)上正電荷運(yùn)動(dòng)的方向，J的大小等于在該點(diǎn)于J垂直的單位面積的電流，即

面電流密度

線電流密度

電荷在一個(gè)橫截面可以忽略的細(xì)線中做定向運(yùn)動(dòng)所形成的電流稱為線電流，可以認(rèn)為電流是集中在細(xì)導(dǎo)線的軸線上。長(zhǎng)度元dl中流過電流I，將Idl稱為電流元。線電流也是電磁場(chǎng)理論中的重要概念。

4.電流密度與電流強(qiáng)度的關(guān)系

電流強(qiáng)度I是單位時(shí)間通過導(dǎo)體某一截面的電量，它描述導(dǎo)體中某一截面上電荷流動(dòng)的總體情況。而電流密度J是描述導(dǎo)體中某一點(diǎn)處電荷流動(dòng)的情況。也就是說它精細(xì)地反應(yīng)電流場(chǎng)中電流分布的細(xì)節(jié)。它們之間的聯(lián)系是

由此可見，通過曲面的電流強(qiáng)度等于通過該曲面的電流密度的通量。

當(dāng)導(dǎo)體中有交流電或者交變電磁場(chǎng)時(shí)，導(dǎo)體內(nèi)部的電流分布不均勻，電流集中在導(dǎo)體的“皮膚”部分，也就是說電流集中在導(dǎo)體外表的薄層，越靠近導(dǎo)體表面，電流密度越大，導(dǎo)體內(nèi)部實(shí)際上電流較小。結(jié)果使導(dǎo)體的電阻增加，使它的損耗功率也增加。這一現(xiàn)象稱為趨膚效應(yīng)(skin effect)。

5.PCB走線電流密度

PCB走線電流密度是由流過導(dǎo)電材料單位面積的電流量定義。在典型的PCB中，走線由銅制成。盡管銅具有很高的導(dǎo)電性，但它并不是理想的導(dǎo)體，因?yàn)檫@種材料不存在。它確實(shí)具有一定量的電阻，這可能會(huì)限制銅走線充分加熱之前流過的電流量。

IPC-2221印制板設(shè)計(jì)通用標(biāo)準(zhǔn)中給出了相對(duì)于電流和銅走線寬度的溫度升高計(jì)算公式。如果您不喜歡手動(dòng)計(jì)算，則可以使用各種PCB跟蹤電流密度計(jì)算器，以確保承載大電流的走線以所需的最小寬度布線。

以下數(shù)據(jù)均為25攝氏度下的線路電流承載值。目前市面上常用銅厚為0.5盎司，它的電流密度可以達(dá)到100A/mm2。

建筑布線規(guī)范列出了不同條件下每種尺寸電力電纜的最大允許電流。工作溫度30℃，長(zhǎng)期連續(xù)90％負(fù)載下，電線允許通過的最大電流如下：

6.電流密度過高帶來的問題

在電路PCB板設(shè)計(jì)中，通過電源模塊給板上芯片供電。電路板設(shè)計(jì)密度越來越高，致使大電流通道設(shè)計(jì)的難度大大增加，并且IC芯片電源種類越來越多，印刷電路板中經(jīng)常會(huì)碰到電流大而通道小的瓶頸；再加上由于過孔或者器件正好落在電源通道上，將會(huì)導(dǎo)致電源通道實(shí)際通流能力大大降低，電流密度急劇升高。而電流密度過高會(huì)帶來如下幾個(gè)問題：

1. 電流密度過高會(huì)因?yàn)閷?dǎo)體的電阻效應(yīng)以熱的方式消耗功率，導(dǎo)致電源壓降過大，同時(shí)溫度過高會(huì)導(dǎo)致PCB板性能下降甚至影響到芯片的正常工作。
2. 電流密度過高，材料與材料之間的互連部分也會(huì)發(fā)生電遷移的現(xiàn)象。
3. 過高的電流密度產(chǎn)生的強(qiáng)磁場(chǎng)會(huì)使得電磁輻射EMC出現(xiàn)嚴(yán)重問題，誘發(fā)電源噪聲過大導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定。