什么是PCB走線寬度？如何計(jì)算PCB走線寬度？

一、什么是PCB走線寬度？

走線寬度是PCB設(shè)計(jì)中最關(guān)鍵的因素之一。

只有經(jīng)常做電路設(shè)計(jì)的人都會(huì)知道，經(jīng)常會(huì)遇到走線寬度的問(wèn)題。一些剛開(kāi)始沒(méi)有什么經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員比較傾向于使用PCB Layou軟件中給出的默認(rèn)走線寬度。

對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的人來(lái)說(shuō)，默認(rèn)走線寬度有一定的參考價(jià)值，但可能會(huì)根據(jù)一些經(jīng)驗(yàn)來(lái)判斷對(duì)于某些軌道來(lái)說(shuō)太窄了，尤其是對(duì)于電源和接地連接。

二、什么是走線？

PCB 走線是放置在非導(dǎo)電或隔離基材上的細(xì)導(dǎo)電銅線，用于將信號(hào)和電源傳輸?shù)秸麄€(gè)電路。銅走線具有特定的寬度，我們稱之為走線寬度，并且具有特定的高度或厚度。

通常，銅層的PCB厚度是固定的，由 PCB 制造公司的規(guī)格決定。對(duì)于典型的 PCB，最常見(jiàn)的銅厚度為 35μm，相當(dāng)于 1oz/sqr ft。

所以在設(shè)計(jì)中，我們只能控制走線的寬度。對(duì)于大多數(shù)制造商，最小走線寬度為6mil 或 0.152mm，主要是因?yàn)槲g刻工藝和目標(biāo)產(chǎn)量有限制，

但是為了有一定的公差，通常使用 0.254-0.3 毫米的走線。

走線寬度

三、哪些因素對(duì)走線寬度至關(guān)重要？

1、信號(hào)走線

信號(hào)走線是那些傳送一些數(shù)據(jù)的走線。在數(shù)字或模擬信號(hào)中，具有不同的走線寬度通常不會(huì)對(duì)簡(jiǎn)單的PCB 設(shè)計(jì)產(chǎn)生太大影響，但在射頻/模擬和高速數(shù)字設(shè)計(jì)中至關(guān)重要。在此類設(shè)計(jì)中，走線阻抗是一個(gè)重要的考慮因素，因?yàn)樽呔€寬度和阻抗呈反比關(guān)系。

2、電源走線

另一方面，電源走線需要更多關(guān)注，因?yàn)檫@些走線負(fù)責(zé)為電路中的每個(gè)組件供電。在 PCB 設(shè)計(jì)中使用不同走線寬度有兩個(gè)原因。

1）電流承載能力

電流承載能力是第一個(gè)也是最明顯的原因。為什么？導(dǎo)體寬度與載流能力之間的關(guān)系很簡(jiǎn)單。走線的橫截面積和允許的溫升決定了走線可以承載多少電流。走線的橫截面也與銅厚度和走線寬度成正比。

電流承載能力

當(dāng)我們?cè)黾油ㄟ^(guò)任何給定走線的電流時(shí)，溫度也會(huì)升高。走線需要應(yīng)對(duì)溫度升高。確保這一點(diǎn)的一種簡(jiǎn)單方法是增加該走線的寬度。

IPC-2152 標(biāo)準(zhǔn)是確定跡線寬度的起點(diǎn)，這些標(biāo)準(zhǔn)使用經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)生成用于計(jì)算給定溫升的電流限制的表格。使用 PCB 走線寬度與當(dāng)前表格非常適合評(píng)估PCB 走線寬度/橫截面積。

通過(guò)下表，可以有效地確定跡線中允許電流的上限。對(duì)于 PCB 疊層中的無(wú)限變量，你需要使用仿真來(lái)分析 PCB，以準(zhǔn)確測(cè)量電流密度和溫升。但是對(duì)于大多數(shù)典型的電路板來(lái)說(shuō)，IPC 表就足夠了。

下圖顯示了幾種走線寬度和相應(yīng)的電流值，這些值將在 1 盎司/平方英尺的銅重量下將溫度上升限制在 10 °C。

一些在線工具可以計(jì)算承載額定電流所需的走線寬度，同時(shí)將走線溫度保持在指定限值以下。實(shí)際結(jié)果可能因應(yīng)用和條件而異。

2）走線阻抗

高速電路可能需要特定的間距和阻抗，以最大限度地減少串?dāng)_、耦合和反射。必須計(jì)算敏感數(shù)據(jù)線，例如 RF/模擬跡線和高速跡線。對(duì)于 GHz 頻段等高頻信號(hào)，PCB 走線不像簡(jiǎn)單的連接那樣起作用。

每條銅走線都有一定的串聯(lián)電感和內(nèi)阻，對(duì)于簡(jiǎn)單的低速設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)很容易被忽略。但在高速設(shè)計(jì)中，走線電感和銅表面粗糙度以及集膚效應(yīng)會(huì)增加，并可能影響電路板的性能。此外，每條信號(hào)走線在其返回路徑和附近的其他走線之間都有一些電容值。

3、直線寬度和信號(hào)反射

信號(hào)反射是高性能電子電路設(shè)計(jì)中的一個(gè)基本問(wèn)題。傳輸信號(hào)的某些部分向源反射的現(xiàn)象稱為信號(hào)反射，信號(hào)反射會(huì)導(dǎo)致信號(hào)失真和振蕩。

PCB 中的信號(hào)反射在很大程度上取決于走線的形狀和路線。每當(dāng)走線改變方向、形狀或與組件的接口時(shí)，走線不連續(xù)性就會(huì)發(fā)揮作用。例如，當(dāng)走線彎曲 90 °時(shí)，走線寬度會(huì)發(fā)生顯著變化。

在彎曲點(diǎn)，走線寬度是實(shí)際走線寬度的1.414倍。跡線寬度的這種變化會(huì)導(dǎo)致阻抗發(fā)生變化，從而導(dǎo)致信號(hào)反射。專業(yè)的 PCB 設(shè)計(jì)師都知道這些問(wèn)題，因此會(huì)避免急劇彎曲和不均勻的走線寬度。

如果置之不理，這些因素會(huì)顯著降低系統(tǒng)的整體性能，因?yàn)樾盘?hào)路徑中不同點(diǎn)的阻抗會(huì)有所不同。走線耦合，尤其是當(dāng)信號(hào)跨平面分裂和空隙時(shí)，會(huì)導(dǎo)致串?dāng)_。

使用走線寬度計(jì)算器，可以知道如何推導(dǎo)出走線寬度。但需要考慮許多因素，例如：

走線載流能力

跡線將連接的組件焊盤(pán)的間距和尺寸。

痕跡之間的差距

除了走線寬度外，還必須考慮走線之間的間距，將防止短路并在原子之間留出最大空間以實(shí)現(xiàn)正常功能。

PCB 通常很小，因?yàn)樗c生產(chǎn)成本有關(guān)。但是，如果電路板太小，可能會(huì)發(fā)現(xiàn)難以布置走線并在它們之間保持適當(dāng)?shù)拈g距。

走線寬度

四、怎么計(jì)算PCB走線寬度？

1、使用PCB走線寬度計(jì)算器

你可以使用走線寬度計(jì)算器根據(jù)安培容量確定走線寬度。但需要在走線寬度計(jì)算器中提供設(shè)計(jì)規(guī)范，包括流過(guò)走線的最大電流（以安培為單位）、路徑的總長(zhǎng)度、由于走線電阻引起的溫度升高等。

提供規(guī)格后，將自動(dòng)生成走線的計(jì)算寬度，通常都是所需的最小寬度?？梢栽试S電流安全通過(guò)而不會(huì)導(dǎo)致PCB損壞。

你可能會(huì)發(fā)現(xiàn)內(nèi)層的走線寬度比外層更寬，因?yàn)樗鼈內(nèi)菀桩a(chǎn)生更多熱量。由于對(duì)流，外層不會(huì)得到那么多的熱量。

出于安全原因，建議使用整個(gè) PCB 的內(nèi)部走線寬度。

2、使用方程式

1）PCB走線寬度表

PCB 走線寬度表可以幫助你確定 PCB 的走線寬度，還可以讓你了解載流能力和溫升的影響，可以參考下表。

PCB走線寬度表

2）PCB走線寬度公式

根據(jù) IPC 2221 的定義，你可以使用計(jì)算通過(guò)走線的允許電流的公式找到 PCB 的走線寬度。過(guò)程如下

I=kΔT^0.44A^0.725

I 代表電流，取為常數(shù)

ΔT是指溫度的變化

A是走線的截面積。

現(xiàn)在可以重新排列公式，通過(guò)找出所選貨幣安全通過(guò)的橫截面積來(lái)導(dǎo)出跡線寬度。

面積[密耳^2] = (電流[安培]/(k*(溫度上升[攝氏度])^ 0.44))^(1/0.725)

k = 0.048

然后，考慮走線的厚度才能找出所需的寬度。

寬度[mils] = 面積[mils^2]/(厚度[oz]*1.378[mils/oz])

該公式可用于 0 到 35 A的電流，允許溫度從 10 ℃上升到 100 ℃。它可容納 400 密耳的跡線寬度，你可以使用 0.5 至 3 盎司的銅值。

通過(guò)將 2 A插入上述計(jì)算中，我們得到至少約 30 密耳的走線。但是不能計(jì)算出電壓降，因?yàn)樾枰?jì)算走線的電路。下面就講講走線電路怎么計(jì)算。

五、怎么計(jì)算PCB 走線電路？

包含敏感元件（例如無(wú)線芯片或天線）的電路可能需要一些額外的保護(hù)以免受外部噪聲的影響。你可以通過(guò)在走線之間嵌入接地過(guò)孔來(lái)最大限度地減少對(duì)額外保護(hù)的需求，這可以顯著減少耦合、被附近的走線或平面拾取以及潛入板邊緣的板外信號(hào)。

PCB 上銅走線的尺寸和形狀直接影響電路板的尺寸、成本和性能。在這種情況下，PCB 走線寬度非常重要。由于更高的電流要求，用于傳輸功率信號(hào)的走線需要更寬。PCB走線寬度與走線阻抗成反比。以下等式計(jì)算跡線阻抗：

ρ = 銅的電阻率 | α = 銅的溫度系數(shù) | T = 跡線厚度

W = 走線寬度 | L = 跡線長(zhǎng)度 | t = 溫度

除了走線寬度外，走線的形狀也會(huì)影響信號(hào)反射。不對(duì)稱的走線尺寸和急轉(zhuǎn)彎會(huì)引起信號(hào)反射，從而導(dǎo)致信號(hào)失真。在多層 PCB 中，電源信號(hào)走線通常放置在表層以改善散熱。另一方面，數(shù)據(jù)信號(hào)走線放置在內(nèi)部層上以防止 EMI 和環(huán)境噪聲。

3、實(shí)際案例-直流電機(jī)電源路徑的優(yōu)化走線寬度示例

下面這個(gè)例子為將電流從一個(gè)電源組件傳輸?shù)酵鈬O(shè)備的電源信號(hào)計(jì)算特定走線寬度的過(guò)程。主要是計(jì)算用于直流電機(jī)的電源路徑的最小走線寬度。

電源路徑從保險(xiǎn)絲開(kāi)始，穿過(guò) H 橋（用于管理直流電機(jī)繞組中的電力輸送的組件），并在電機(jī)的連接器處結(jié)束。直流電機(jī)所需的平均連續(xù)最大電流約為 2 安培。

現(xiàn)在，PCB 走線充當(dāng)電阻，走線越長(zhǎng)越窄，增加的電阻就越大。如果走線沒(méi)有正確定義，大電流可能會(huì)損壞走線和/或給電機(jī)帶來(lái)明顯的電壓降（導(dǎo)致速度變慢）。圖 3 所示的 NetC21_2 長(zhǎng)約 0.8 英寸，最大需要承載 2 A。如果我們假設(shè)一些一般情況，例如在正常操作期間的 1 盎司覆銅和環(huán)境室溫，我們就需要計(jì)算最小走線寬度和該寬度下的預(yù)期電壓降。

直流電機(jī)電源路徑的優(yōu)化走線寬度示例

六、PCB走線寬度在布局中的作用

PCB 走線寬度會(huì)影響印刷電路板的電氣性能，包括：

信號(hào)完整性

電源完整性

1、信號(hào)完整性

使用不同的走線寬度可以大大提高信號(hào)完整性并控制信號(hào)干擾、串?dāng)_、電磁干擾等。

2、受控阻抗布線

當(dāng)涉及到某些高速信號(hào)時(shí)，它們需要以特定的寬度進(jìn)行布線，以便進(jìn)行阻抗控制。必須根據(jù)以下因素正確計(jì)算走線寬度：

電路板的介電材料。

與其他信號(hào)的間距。

銅重。

3、微帶線和帶狀線

如果是敏感的高速傳輸線，需要與參考地平面耦合，以便屏蔽走線。帶狀線配置是指夾在兩個(gè)地平面之間的內(nèi)部布線層。另一方面，微帶配置是指電路板外部的走線及其下方的相鄰平面。

4、模擬路由

對(duì)于模擬信號(hào)，它們需要短而直接，同時(shí)具有額外的寬度以保持低走線阻抗。對(duì)于模擬電路，最好盡量減少過(guò)孔的使用。

5、電源完整性

1）短而直接的路由

保持走線短以避免額外的噪聲很重要。與直角相反的圓角也是優(yōu)選的。

2）使用寬痕跡

為減少電感和串?dāng)_，明智的做法是使用帶電源布線的寬走線。

3）電流和熱考慮

電源走線根據(jù)正在布線的網(wǎng)絡(luò)傳導(dǎo)不同的電流水平。此外，重要的是要考慮線路隨電流產(chǎn)生的熱量。外層的電源跟蹤也可以從空氣冷卻中獲益。

案例1-布線高速 USB 線

對(duì)于具有高速通信的數(shù)字設(shè)計(jì)，可能需要特定的間距和調(diào)諧長(zhǎng)度，以最大限度地減少串?dāng)_、耦合和反射。一些常見(jiàn)的應(yīng)用是基于 USB 的串行差分信號(hào)和基于 RAM 的并行差分信號(hào)。通常，USB 2.0 需要 480Mbit/s（USB 高速級(jí)）或更高速度的差分對(duì)路由。這部分是因?yàn)楦咚?USB 通常在低得多的電壓和差分下運(yùn)行，從而使整體信號(hào)電平更接近本底噪聲。

布線高速 USB 線時(shí)需要考慮三個(gè)重要事項(xiàng)：走線寬度、走線間距和走線 長(zhǎng)度。

所有這些都很重要，但三者中最關(guān)鍵的是確保兩條跡線的長(zhǎng)度盡可能匹配。作為一般經(jīng)驗(yàn)法則，如果跡線之間的長(zhǎng)度相差超過(guò) 50 密耳（對(duì)于高速 USB），則會(huì)顯著增加可能導(dǎo)致通信不良的反射風(fēng)險(xiǎn)。90 Ω 匹配阻抗是差分對(duì)布線的常見(jiàn)規(guī)格，為了實(shí)現(xiàn)這一點(diǎn)，應(yīng)優(yōu)化走線的寬度和間距。

下圖顯示了一個(gè)為高速 USB 接口布線的差分對(duì)示例，其中包含 15 mil 間距的 12 mil 寬走線。

USB2.0 高速差分路由

包含并行接口的基于內(nèi)存的組件的接口，例如 DDR3-SDRAM，在走線長(zhǎng)度方面將受到更嚴(yán)格的限制。大多數(shù)高端PCB 設(shè)計(jì)軟件都具有長(zhǎng)度調(diào)整功能，可優(yōu)化走線長(zhǎng)度以匹配并行總線中的所有相關(guān)信號(hào)。下圖顯示了帶有長(zhǎng)度調(diào)整走線的 DDR3 布局示例。

長(zhǎng)度調(diào)整的 DDR3 內(nèi)存走線示例

案例2-在接地線和平面中

某些具有對(duì)噪聲敏感的組件（例如無(wú)線芯片或天線）的應(yīng)用可能需要一些額外的保護(hù)。設(shè)計(jì)帶有嵌入式接地過(guò)孔的走線和平面可以極大地幫助最大限度地減少附近走線或平面拾取的耦合以及潛入電路板邊緣的板外信號(hào)。

下圖顯示了一個(gè)靠近電路板邊緣放置的藍(lán)牙模塊示例，其天線（通過(guò)絲印“ANT”標(biāo)記）位于包含連接到接地層的嵌入式通孔的粗跡線外部。這有助于將天線與其他板載電路和平面隔離。

帶有接地通孔嵌入式走線以幫助抑制噪聲的藍(lán)牙模塊

這種接地通孔嵌入式走線（或本例中的多邊形平面）的另一種方法可用于保護(hù)電路板電路免受外部、板外無(wú)線信號(hào)的影響。

下圖顯示了一個(gè)對(duì)噪聲敏感的 PCB，在電路板的周邊有一個(gè)接地通孔嵌入式平面。

敏感 PCB 上帶有過(guò)孔的接地層，以防止板外干擾

六、各種走線寬度與厚度

PCB 包含各種走線寬度是很常見(jiàn)的，因?yàn)樗鼈內(nèi)Q于信號(hào)的需求（如圖下所示）。所示的較細(xì)跡線用于通用 TTL（晶體管-晶體管邏輯）電平信號(hào)，對(duì)高電流或噪聲保護(hù)沒(méi)有特殊要求。

這些將是電路板上最常見(jiàn)的走線類型。

包含不同走線寬度和類型的 4 層板示例

較粗的走線已針對(duì)載流能力進(jìn)行了優(yōu)化，并用于需要更高功率的外圍設(shè)備或與電源相關(guān)的功能，例如風(fēng)扇、電機(jī)和向較低級(jí)別組件的一般功率傳輸。圖中左上角甚至還顯示了一個(gè)差分信號(hào)（USB 高速），其中定義了特定的間距和寬度，以滿足 90 Ω的阻抗要求。下圖顯示了一個(gè)稍微密集的 6 層電路板和一個(gè)需要更細(xì)走線的 BGA（球柵陣列）組件。

包含 256 引腳 BGA 組件的 6 層板示例，走線寬度為 5 mil

七、PCB制造中直線寬度規(guī)范

作為一般規(guī)則，以下與走線相關(guān)的規(guī)范開(kāi)始推高裸 PCB 制造成本。由于更嚴(yán)格的PCB 公差和制造、檢查或測(cè)試 PCB所需的高端設(shè)備，成本變得相當(dāng)高：

走線寬度小于 5 mils (0.005”)

走線間距小于 5 密耳

直徑小于 8 密耳的通孔

跡線厚度薄于或厚于 1 盎司（相當(dāng)于 1.4 密耳）

差分對(duì)和受控長(zhǎng)度或走線阻抗

包含 PCB 占位面積的高密度設(shè)計(jì)（例如極細(xì)間距 BGA 或高信號(hào)數(shù)并行總線）可能需要薄至 2.5 密耳的走線寬度和特殊類型的通孔，例如直徑為 6 密耳或更小的激光鉆孔微通孔。相比之下，一些高功率設(shè)計(jì)可能需要非常大的走線或平面，消耗整層，并且比標(biāo)準(zhǔn)更厚的盎司傾倒量。空間受限的應(yīng)用可能需要包含幾層的非常薄的電路板和半盎司（0.7 密耳厚度）的有限銅澆注厚度。

在其他一些情況下，從一個(gè)外圍設(shè)備到另一個(gè)外圍設(shè)備的高速通信設(shè)計(jì)可能需要具有受控阻抗以及特定寬度和彼此間距的跡線，以最大限度地減少反射和感應(yīng)耦合。或者設(shè)計(jì)可能需要一定的長(zhǎng)度以匹配總線中的其他相關(guān)信號(hào)。高壓應(yīng)用需要某些安全特性，例如兩個(gè)暴露的差分信號(hào)之間的距離最小化，以防止產(chǎn)生電弧。

審核編輯：湯梓紅