当涉及到PCB 设计时,PCB 走线电流容量带来的限制是至关重要的。虽然IPC-2221通用设计指南是一个很好的起点,但 PCB 走线宽度计算器提供了可用于电路板设计的准确值。
PCB上一条走线的电流容量由走线宽度、走线厚度、所需的最大温升、走线是内层还是外层以及是否被阻焊层覆盖等参数决定。
在本文中,我们将讨论:
  • PCB走线宽度
  • PCB走线载流能力
  • 大电流PCB
  • 大电流 PCB 布局指南
  • 高电流 PCB 的设计技巧
  • PCB走线宽度计算器

什么是PCB走线宽度?

PCB走线或PCB走线是PCB上的铜导体,在PCB表面传导信号。它是蚀刻后留下的铜箔平坦、狭窄的部分。流经铜迹线的电流会产生大量热量。正确校准的 PCB 走线宽度和厚度有助于最大限度地减少电路板中的热量积聚。走线越宽,电流电阻越低,热量积聚越少。如下图所示,PCB 走线宽度是走线的水平尺寸,而厚度是走线的垂直尺寸。
fe64ea619d6743a88eb5541ee7d7fd15~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
PCB走线结构

PCB 的开发总是从默认的走线宽度开始。但是这样的默认走线宽度并不总是适合所需的 PCB。这是因为您需要通过考虑走线的电流承载能力来决定走线宽度。
确定正确的走线宽度时需要考虑几个因素:
  • 铜层厚度——铜层厚度是 PCB 上的实际走线厚度。高电流 PCB 的默认铜厚度约为 1 盎司(35 微米)至 2 盎司(70 微米)
  • 的TRAC的截面积ë -在PCB上更高的功率要求,需要具有更高的横截面面积的痕迹。这与走线宽度成正比。
  • 走线的位置——底部或顶部或内层

你如何设计大电流PCB?
数字、射频和电源电路主要处理或传输低功率信号。这些应用的铜重量为 1-2oz,承载电流为 mA 至 1A 或 2A。一些应用(例如电机控制)需要高达 50A 的电流,这将需要 PCB 上的铜重量更大和走线宽度更大。
针对高电流要求的传统设计方法是加宽铜迹线并将迹线的厚度增加到 2oz。这将增加电路板上的空间要求以及电路板上的层数。
大电流 PCB 布局指南
这些是设计和制造高电流 PCB 的指南:
大电流走线短
走线长意味着线阻值高,并且还承载大电流,从而导致更大的功率损耗。由于功率损耗会产生热量,因此电路板寿命会缩短。因此,保持承载大电流的走线尽可能短是至关重要的。
计算具有适当温升的走线宽度
走线宽度是诸如电阻和通过它的电流以及允许的温升等变量的函数。按照惯例,允许温度比环境温度 25°C 高 10°C。在电路板材料和设计允许的情况下,甚至可以允许 20°C 的温升。
将敏感元件与热隔离
电压基准、模数转换器和运算放大器等一些电子元件对温度变化很敏感。当此类组件受热时,它们的信号会发生变化。
众所周知,大电流板会产生热量,因此上述组件需要与热点进行一定程度的热隔离。您可以通过电路板切口和提供散热连接来做到这一点。
去除阻焊层
为了增加走线的电流能力,您可以去除暴露下面铜的阻焊层。然后可以在迹线上添加额外的焊料,这将增加其厚度并降低电阻。这将允许更多电流流过走线,而不会增加走线宽度或产生额外铜厚的成本。
在高电流组件下使用铜皮
现场可编程门阵列 (FPGA) 和处理器采用球栅阵列(BGA) 和线栅阵列 (LGA) 封装,并且具有高电流要求。为了实现高电流,您可以在芯片正下方放置方形多边形,然后向下放置通孔并连接到它们。然后,您可以将多边形覆铜通过过孔到粗电源线或电源平面。
847562fd20ed428d95d13ef9002a1fa8~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
IC 下的铜皮

将内部层用于高电流路径
当 PCB 的外层没有用于厚走线的空间时,您可以在内部板层中进行实心填充。接下来,您可以使用过孔连接到外层上的高电流设备。
添加铜条以获得非常高的电流
对于电流超过 100A 的电动汽车和大功率逆变器,铜线可能不是传输功率和信号的最佳方式。在这种情况下,您可以使用可以焊接到 PCB 焊盘上的铜母线。铜母线的厚度比走线厚得多,可以根据需要承载高电流,而不会出现任何发热问题。
867404be615e456ca934454f588c80f6~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
母线上的PCB


对承载大电流的多层上的多条走线使用过孔缝合
当走线不能在单层中承载所需的电流时,走线可以在多个层上布线,并通过缝合连接各层。在两层走线厚度相同的情况下,这将增加载流能力。
什么是 PCB 走线宽度计算器?
走线宽度取决于很多因素,如铜层厚度、走线位置的长度等,很难手动计算出准确的值。这就是为什么大多数制造 PCB 的企业都提供计算走线宽度的工具的原因。PCB 走线宽度计算器是一种工具,它考虑了上述所有因素,以提供所需走线宽度的准确值。
根据 IPC-2221 印制板设计通用标准,PCB 走线电流限制可进一步分为内部导体和外部导体。下面给出的图表显示了与迹线宽度相关的不同变量之间的关系。这些变量是迹线横截面积、温升以及外部导体和内部导体的最大载流能力。
853e993685464074854e2d6013f57717~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
电流对比 外部导体的横截面图

20dc86abc9d7476abc750096d5a91132~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
导体宽度 Vs横截面图

b86f2b000b68423a8ad173a04cb4381b~noop.image?_iz=58558&from=article.jpg
电流对比 内导体的横截面图

根据图表,计算载流量的公式如下:
I = K ΔT 0.44 A 0.75
K = 0.024 内层走线和 0.048 外层走线
ΔT = 以°C 为单位的最大温差
A = 铜线的横截面积,单位为 mil²
I = 电流承载能力(安培)
现有的 PCB 走线宽度计算器仍然基于图表中的数据和上面给出的公式。它们可作为 PCB 设计人员非常精确地计算走线宽度的便捷工具。此表中提到了温升 10°C 时 2oz 铜的最大载流能力。
最大电流容量(安培)
外层的最小走线宽度 (mil)
内层的最小走线宽度 (mil)
2
19.95
20.03
4
66.59
66.86
6
134.78
135.34
8
222.28
223.21
10
327.68
329.05




结论
在确定走线电流容量时,有复杂的因素在起作用。但是,PCB 设计人员可以依靠走线厚度计算器的可靠性来帮助有效地设计电路板。获得正确的走线宽度及其载流能力对于设计可靠且高性能的 PCB 大有帮助。