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高功率设计的PCB走线宽度与电流的关系表

凡亿PCB 来源:Altium 作者:Altium 2023-12-06 08:05 次阅读

铜是一种具有高熔点的强导体,但仍应尽力保持较低的温度。您需要适当调整电源导轨宽度,使温度保持在一定限值内。不过,这时您需要考虑在给定走线中流动的电流。使用电源轨、高压元件和电路板的其他对热敏感的部分时,您可以使用PCB走线宽度与电流表来确定您需要在布局中使用的电源走线宽度。

另一种选择是使用基于IPC-2152或IPC-2221标准的计算器。有必要学会如何阅读IPC标准中的等效走线宽度与电流图表,因为PCB走线宽度与电流表并不总是全面的。我们将在本文中回顾您需要的资源。

在高电流设计中保持低温

PCB设计和布线方面经常出现的一个难题是,确定在给定电流值的情况下将设备的温度保持在一定限度内所需的推荐电源线宽度,或相反。典型的操作目标是将电路板中的导体温升保持在10-20°C以内。高电流设计的目标是确定走线宽度和铜重量的大小,以便将温升保持在所需工作电流的某个限制范围内。

IPC制定了与适当方法相关的标准,以针对特定输入电流测试和计算PCB走线的温升。这些标准是IPC-2221和IPC-2152,包含有关这些主题的大量信息。显然,这些标准非常广泛,大多数设计人员没有时间解析所有数据以确定走线宽度与电流表的关系。

PCB走线宽度与电流表

IPC 2152标准是确定走线和过孔大小时的起点。这些标准中指定的公式可直接用于计算给定温升的电流限制,但它们并未考虑受控阻抗布线。也就是说,在确定PCB走线宽度/横截面积时,使用PCB走线宽度与电流表对比是一个很好的起点。这使您可以有效地确定走线中允许电流的上限,然后您可以使用它来调整走线大小以进行受控阻抗布线。

当电路板在大电流下运行,温升达到非常大的值时,基板的电气性能会在高温下表现出相应的变化。基板的电气和机械性能会随温度变化,如果长时间在高温下运行,电路板会变色和变弱。这就是我认识的设计师会调整走线尺寸以使温升保持在10°C以内的原因之一。这样做的另一个原因是为了适应广泛的环境温度范围,而不是考虑特定的工作温度。

下面的PCB电源走线宽度与电流表显示了一些走线宽度和相应的电流值,它们将在1 oz./sq. ft.铜重量时将温度上升限制在10°C。这应该可以让您大致了解如何调整PCB中的走线尺寸。

电流(A) 走线宽度(mil)
1 10
2 30
3 50
4 80
5 110
6 150
7 180
8 220
9 260
10 300

上表适用于许多通常采用标准工艺生产的PCB,其目标是非常保守的可接受温升(10°C)。它也适用于大多数含有标准铜箔的层压板(1 oz./sq. ft.)。

您可能已经注意到此表中的两点:

不同的走线厚度/铜重量。走线厚度需要根据电路板中的铜重量计算。我们上面只包括标准的1 oz/sq. ft.值。不过,将在高电流下运行的电路板通常需要更重的铜以适应更高的温升。

替代基板。以上数据是为FR4编制的,它将涵盖广泛用于生产的PCB。不过,高级应用可能需要铝芯PCB、陶瓷基板或具有替代树脂系统的高级高速层压板。如果您使用热导率较高的基板,那么走线的温度会较低,因为更多的热量会从温暖的走线中散发出去。对于一阶近似值,温升将按所需基板材料的热导率与FR4的热导率之比进行缩放。

使用IPC 2152列线图

如果您想在内层或外层使用不同的铜重量,那么一个方便的工具是IPC 2152标准的列线图集。该表提供了一个简单工具,以确定特定电流和温升的导体尺寸。或者,如果您已经选择了电源PCB走线宽度电流,则可以确定将产生特定温升的电流。使用此工具,无需查找或构建IPC-2152计算器,即可直观地验证走线设计中的电流限制。

以下命名法中的两个示例对此进行了说明。请注意,下图仅针对内部走线的定义。

wKgZomVvu-iABV22AAHCFCD08gw480.jpg

IPC 2152列线图,用于PCB电源走线宽度与电流和温升的关系。图片由StackExchange上的用户Daniel Grillo修改。

红色箭头显示如何确定所需电源走线宽度、铜重量(即走线横截面积)和温升的最大电流。在此示例中,首先选择导体宽度(140 mil),然后将红色箭头水平追踪到所需的铜重量(1 oz/sq. ft.)。然后我们垂直追踪到所需的温升(10 °C),然后我们追踪回Y轴以找到相应的电流限制(~2.75 A)。

橙色箭头指向另一个方向。我们从所需电流(1 A)开始,水平追踪到我们所需的温升(30 °C)。然后我们垂直向下追踪以确定走线尺寸。在此示例中,假设我们指定0.5 oz/sq. ft.铜重量。向下追踪到这条线后,我们水平追踪回到Y轴,找到约40 mil的导体宽度。假设我们想使用重量为1 oz/sq. ft.的铜;在这种情况下,我们会发现所需的电源走线宽度为20 mil。

作者: Altium ,博客 Zachariah Peterson

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原文标题:高功率设计的PCB走线宽度与电流的关系表

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