你如何設(shè)計大電流PCB呢？

當(dāng)涉及到PCB 設(shè)計時，PCB 走線電流容量帶來的限制是至關(guān)重要的。雖然IPC-2221通用設(shè)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(shè)計的準確值。

PCB上一條走線的電流容量由走線寬度、走線厚度、所需的最大溫升、走線是內(nèi)層還是外層以及是否被阻焊層覆蓋等參數(shù)決定。

在本文中，我們將討論：

PCB走線寬度

PCB走線載流能力

大電流PCB

大電流 PCB 布局指南

高電流 PCB 的設(shè)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(dǎo)體，在PCB表面?zhèn)鲗?dǎo)信號。它是蝕刻后留下的銅箔平坦、狹窄的部分。流經(jīng)銅跡線的電流會產(chǎn)生大量熱量。正確校準的 PCB 走線寬度和厚度有助于最大限度地減少電路板中的熱量積聚。走線越寬，電流電阻越低，熱量積聚越少。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(jié)構(gòu)

PCB 的開發(fā)總是從默認的走線寬度開始。但是這樣的默認走線寬度并不總是適合所需的 PCB。這是因為您需要通過考慮走線的電流承載能力來決定走線寬度。

確定正確的走線寬度時需要考慮幾個因素：

銅層厚度——銅層厚度是 PCB 上的實際走線厚度。高電流 PCB 的默認銅厚度約為 1 盎司（35 微米）至 2 盎司（70 微米）

的TRAC的截面積? -在PCB上更高的功率要求，需要具有更高的橫截面面積的痕跡。這與走線寬度成正比。

走線的位置——底部或頂部或內(nèi)層

你如何設(shè)計大電流PCB？

數(shù)字、射頻和電源電路主要處理或傳輸?shù)凸β市盘?。這些應(yīng)用的銅重量為 1-2oz，承載電流為 mA 至 1A 或 2A。一些應(yīng)用（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。

針對高電流要求的傳統(tǒng)設(shè)計方法是加寬銅跡線并將跡線的厚度增加到 2oz。這將增加電路板上的空間要求以及電路板上的層數(shù)。

大電流 PCB 布局指南

這些是設(shè)計和制造高電流 PCB 的指南：

大電流走線短

走線長意味著線阻值高，并且還承載大電流，從而導(dǎo)致更大的功率損耗。由于功率損耗會產(chǎn)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是至關(guān)重要的。

計算具有適當(dāng)溫升的走線寬度

走線寬度是諸如電阻和通過它的電流以及允許的溫升等變量的函數(shù)。按照慣例，允許溫度比環(huán)境溫度 25°C 高 10°C。在電路板材料和設(shè)計允許的情況下，甚至可以允許 20°C 的溫升。

將敏感元件與熱隔離

電壓基準、模數(shù)轉(zhuǎn)換器和運算放大器等一些電子元件對溫度變化很敏感。當(dāng)此類組件受熱時，它們的信號會發(fā)生變化。

眾所周知，大電流板會產(chǎn)生熱量，因此上述組件需要與熱點進行一定程度的熱隔離。您可以通過電路板切口和提供散熱連接來做到這一點。

去除阻焊層

為了增加走線的電流能力，您可以去除暴露下面銅的阻焊層。然后可以在跡線上添加額外的焊料，這將增加其厚度并降低電阻。這將允許更多電流流過走線，而不會增加走線寬度或產(chǎn)生額外銅厚的成本。

在高電流組件下使用銅皮

現(xiàn)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，并且具有高電流要求。為了實現(xiàn)高電流，您可以在芯片正下方放置方形多邊形，然后向下放置通孔并連接到它們。然后，您可以將多邊形覆銅通過過孔到粗電源線或電源平面。

IC 下的銅皮

將內(nèi)部層用于高電流路徑

當(dāng) PCB 的外層沒有用于厚走線的空間時，您可以在內(nèi)部板層中進行實心填充。接下來，您可以使用過孔連接到外層上的高電流設(shè)備。

添加銅條以獲得非常高的電流

對于電流超過 100A 的電動汽車和大功率逆變器，銅線可能不是傳輸功率和信號的最佳方式。在這種情況下，您可以使用可以焊接到 PCB 焊盤上的銅母線。銅母線的厚度比走線厚得多，可以根據(jù)需要承載高電流，而不會出現(xiàn)任何發(fā)熱問題。

母線上的PCB

對承載大電流的多層上的多條走線使用過孔縫合

當(dāng)走線不能在單層中承載所需的電流時，走線可以在多個層上布線，并通過縫合連接各層。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？

走線寬度取決于很多因素，如銅層厚度、走線位置的長度等，很難手動計算出準確的值。這就是為什么大多數(shù)制造 PCB 的企業(yè)都提供計算走線寬度的工具的原因。PCB 走線寬度計算器是一種工具，它考慮了上述所有因素，以提供所需走線寬度的準確值。

根據(jù) IPC-2221 印制板設(shè)計通用標準，PCB 走線電流限制可進一步分為內(nèi)部導(dǎo)體和外部導(dǎo)體。下面給出的圖表顯示了與跡線寬度相關(guān)的不同變量之間的關(guān)系。這些變量是跡線橫截面積、溫升以及外部導(dǎo)體和內(nèi)部導(dǎo)體的最大載流能力。

電流對比 外部導(dǎo)體的橫截面圖

導(dǎo)體寬度 Vs橫截面圖

電流對比 內(nèi)導(dǎo)體的橫截面圖

根據(jù)圖表，計算載流量的公式如下：

I = K ΔT 0.44 A 0.75

K = 0.024 內(nèi)層走線和 0.048 外層走線

ΔT = 以°C 為單位的最大溫差

A = 銅線的橫截面積，單位為 mil2

I = 電流承載能力（安培）

現(xiàn)有的 PCB 走線寬度計算器仍然基于圖表中的數(shù)據(jù)和上面給出的公式。它們可作為 PCB 設(shè)計人員非常精確地計算走線寬度的便捷工具。此表中提到了溫升 10°C 時 2oz 銅的最大載流能力。

結(jié)論

在確定走線電流容量時，有復(fù)雜的因素在起作用。但是，PCB 設(shè)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(shè)計電路板。獲得正確的走線寬度及其載流能力對于設(shè)計可靠且高性能的 PCB 大有幫助。


審核編輯：劉清