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(diǎn)的強(qiáng)導(dǎo)體，但仍應(yīng)盡力保持較低的溫度。您需要適當(dāng)調(diào)整電源導(dǎo)軌寬度，使溫度保持在一定限值內(nèi)。不過(guò)，這時(shí)您需要考慮在給定走線中流動(dòng)的電流。使用電源軌、高壓元件和電路板的其他對(duì)熱敏感的部分時(shí)，您可以使用PCB走線寬度與電流表來(lái)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(biāo)準(zhǔn)的計(jì)算器。有必要學(xué)會(huì)如何閱讀IPC標(biāo)準(zhǔn)中的等效走線寬度與電流圖表，因?yàn)镻CB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(shè)計(jì)中保持低溫

在PCB設(shè)計(jì)和布線方面經(jīng)常出現(xiàn)的一個(gè)難題是，確定在給定電流值的情況下將設(shè)備的溫度保持在一定限度內(nèi)所需的推薦電源線寬度，或相反。典型的操作目標(biāo)是將電路板中的導(dǎo)體溫升保持在10-20°C以內(nèi)。高電流設(shè)計(jì)的目標(biāo)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(gè)限制范圍內(nèi)。

IPC制定了與適當(dāng)方法相關(guān)的標(biāo)準(zhǔn)，以針對(duì)特定輸入電流測(cè)試和計(jì)算PCB走線的溫升。這些標(biāo)準(zhǔn)是IPC-2221和IPC-2152，包含有關(guān)這些主題的大量信息。顯然，這些標(biāo)準(zhǔn)非常廣泛，大多數(shù)設(shè)計(jì)人員沒(méi)有時(shí)間解析所有數(shù)據(jù)以確定走線寬度與電流表的關(guān)系。值得慶幸的是，我們整理了一些資源來(lái)幫助您將電流與溫升聯(lián)系起來(lái)：

PCB走線寬度與電流表

IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)是確定走線和過(guò)孔大小時(shí)的起點(diǎn)。這些標(biāo)準(zhǔn)中指定的公式可直接用于計(jì)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(shuō)，在確定PCB走線寬度/橫截面積時(shí)，使用PCB走線寬度與電流表對(duì)比是一個(gè)很好的起點(diǎn)。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(lái)調(diào)整走線大小以進(jìn)行受控阻抗布線。

當(dāng)電路板在大電流下運(yùn)行，溫升達(dá)到非常大的值時(shí)，基板的電氣性能會(huì)在高溫下表現(xiàn)出相應(yīng)的變化?；宓碾姎夂?a href="http://wenjunhu.com/v/tag/1472/" target="_blank">機(jī)械性能會(huì)隨溫度變化，如果長(zhǎng)時(shí)間在高溫下運(yùn)行，電路板會(huì)變色和變?nèi)?。這就是我認(rèn)識(shí)的設(shè)計(jì)師會(huì)調(diào)整走線尺寸以使溫升保持在10°C以內(nèi)的原因之一。這樣做的另一個(gè)原因是為了適應(yīng)廣泛的環(huán)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(yīng)的電流值，它們將在1 oz./sq. ft.銅重量時(shí)將溫度上升限制在10°C。這應(yīng)該可以讓您大致了解如何調(diào)整PCB中的走線尺寸。

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

您可能已經(jīng)注意到此表中的兩點(diǎn)：

不同的走線厚度/銅重量。走線厚度需要根據(jù)電路板中的銅重量計(jì)算。我們上面只包括標(biāo)準(zhǔn)的1 oz/sq. ft.值。不過(guò)，將在高電流下運(yùn)行的電路板通常需要更重的銅以適應(yīng)更高的溫升。

替代基板。以上數(shù)據(jù)是為FR4編制的，它將涵蓋廣泛用于生產(chǎn)的PCB。不過(guò)，高級(jí)應(yīng)用可能需要鋁芯PCB、陶瓷基板或具有替代樹(shù)脂系統(tǒng)的高級(jí)高速層壓板。如果您使用熱導(dǎo)率較高的基板，那么走線的溫度會(huì)較低，因?yàn)楦嗟臒崃繒?huì)從溫暖的走線中散發(fā)出去。對(duì)于一階近似值，溫升將按所需基板材料的熱導(dǎo)率與FR4的熱導(dǎo)率之比進(jìn)行縮放。

使用IPC 2152列線圖

如果您想在內(nèi)層或外層使用不同的銅重量，那么一個(gè)方便的工具是IPC 2152標(biāo)準(zhǔn)的列線圖集。該表提供了一個(gè)簡(jiǎn)單工具，以確定特定電流和溫升的導(dǎo)體尺寸。或者，如果您已經(jīng)選擇了電源PCB走線寬度電流，則可以確定將產(chǎn)生特定溫升的電流。使用此工具，無(wú)需查找或構(gòu)建IPC-2152計(jì)算器，即可直觀地驗(yàn)證走線設(shè)計(jì)中的電流限制。

以下命名法中的兩個(gè)示例對(duì)此進(jìn)行了說(shuō)明。請(qǐng)注意，下圖僅針對(duì)內(nèi)部走線的定義。要查看此圖的相同版本的外部走線，請(qǐng)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(guān)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(dǎo)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(yīng)的電流限制（~2.75 A）。

橙色箭頭指向另一個(gè)方向。我們從所需電流（1 A）開(kāi)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(shè)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(jié)軸，找到約40 mil的導(dǎo)體寬度。假設(shè)我們想使用重量為1 oz/sq. ft.的銅；在這種情況下，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)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(jì)算器的布線工具，該計(jì)算器可確定20°C目標(biāo)溫升的追蹤電流限制。Altium Designer中強(qiáng)大的PCB走線寬度布局和布線工具建立在統(tǒng)一的設(shè)計(jì)模型上，允許您在設(shè)計(jì)規(guī)則中指定所需的走線和尺寸。當(dāng)設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備將文件遞交給制造商時(shí)，Altium 365平臺(tái)可以輕松地協(xié)作并共享您的項(xiàng)目。

審核編輯：湯梓紅