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PCB设计中:电流与线宽有什么关系

2019-10-14  goandlove
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关于pcb线宽和电流的经验公式,关系表和软件网上都很多,本文把网上的整理了一下,旨在给广大工程师在设计PCB板的时候提供方便。

以下总结了八种电流与线宽的关系公式,表和计算公式,虽然各不相同(大体相近),但大家可以在实际的PCB板设计中,综合考虑PCB板的大小,通过电流,选择一个合适的线宽。

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一、PCB电流与线宽
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PCB载流能力的计算一直缺乏权威的技术方法、公式,经验丰富CAD工程师依靠个人经验能作出较准确的判断。但是对于CAD新手,不可谓遇上一道难题。

PCB的载流能力取决与以下因素:线宽、线厚(铜箔厚度)、容许温升。大家都知道,PCB走线越宽,载流能力越大。

假设在同等条件下,10MIL的走线能承受1A,那么50MIL的走线能承受多大电流,是5A吗?答案自然是否定的。请看以下来来自国际权威机构提供的数据:

供的数据

线宽的单位是:Inch(1inch=2.54cm=25.4mm)

数据:MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment

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二、PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系
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在了解PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系之前先让我们了解一下PCB 敷铜厚度的单位盎司、英寸和毫米之间的换算:“在很多数据表中,PCB 的敷铜厚度常常用盎司做单位,它与英寸和毫米的转换关系如下:

1 盎司 = 0.0014 英寸 = 0.0356 毫米(mm)

2 盎司 = 0.0028 英寸 = 0.0712 毫米(mm)

盎司是重量单位,之所以可以转化为毫米是因为pcb的敷铜厚度是盎司/平方英寸'

PCB设计铜铂厚度、线宽和电流关系表:

也可以使用经验公式计算:

0.15×线宽(W)=A

以上数据均为温度在25℃下的线路电流承载值。

导线阻抗:

0.0005×L/W(线长/线宽)

另外,导线的电流承载值与导线线的过孔数量焊盘的关系。

导线的电流承载值与导线线的过孔数量焊盘存在的直接关系(目前没有找到焊盘和过孔孔径每平方毫米对线路的承载值影响的计算公式)这里只做一下简单的一些影响到线路电流承载值的主要因素。

1、在表格数据中所列出的承载值是在常温25度下的最大能够承受的电流承载值,因此在实际设计中还要考虑各种环境、制造工艺、板材工艺、板材质量等等各种因素。所以表格提供只是做为一种参考值。

2、在实际设计中,每条导线还会受到焊盘和过孔的影响,如焊盘教多的线段,在过锡后,焊盘那段它的电流承载值就会大大增加了,可能很多人都有看过一些大电流板中焊盘与焊盘之间某段线路被烧毁。

这个原因很简单,焊盘因为过锡完后因为有元件脚和焊锡增强了其那段导线的电流承载值,而焊盘与焊盘之间的焊盘它的最大电流承载值也就为导线宽度允许最大的电流承载值。

因此在电路瞬间波动的时候,就很容易烧断焊盘与焊盘之间那一段线路,解决方法:增加导线宽度,如板不能允许增加导线宽度,在导线增加一层Solder层(一般1毫米的导线上可以增加一条0.6左右的Solder层的导线,当然你也增加一条1mm的Solder层导线)这样在过锡过后,这条1mm的导线就可以看做一条1.5mm~2mm导线了(视导线过锡时锡的均匀度和锡量),如下图:

像此类处理方法对于那些从事小家电PCB Layout的朋友并不陌生,因此如果过锡量够均匀也锡量也够多的话,这条1mm导线就不止可以看做一条2mm的的导线了,而这点在单面大电流板中有为重要。

3、图中焊盘周围处理方法同样是增加导线与焊盘电流承载能力均匀度,这个特别在大电流粗引脚的板中(引脚大于1.2以上,焊盘在3以上的)这样处理是十分重要的。

因为如果焊盘在3mm以上管脚又在1.2以上,它在过锡后,这一点焊盘的电流就会增加好几十倍,如果在大电流瞬间发生很大波动时,这整条线路电流承载能力就会十分的不均匀(特别焊盘多的时候),仍然很容易造成焊盘与焊盘之间的线路烧断的可能性。

图中那样处理可以有效分散单个焊盘与周边线路电流承载值的均匀度。

最后再次说明:电流承载值数据表只是一个绝对参考数值,在不做大电流设计时,按表中所提供的数据再增加10%量就绝对可以满足设计要求。

而在一般单面板设计中,以铜厚35um,基本可以于1比1的比例进行设计,也就是1A的电流可以以1mm的导线来设计,也就能够满足要求了(以温度105度计算)。

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三、PCB设计时铜箔厚度,走线宽度和电流的关系
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信号的电流强度。当信号的平均电流较大时,应考虑布线宽度所能承载的的电流,线宽可参考以下数据。

PCB设计时铜箔厚度、走线宽度和电流的关系,不同厚度,不同宽度的铜箔的载流量见下表:

注:

i.  用铜皮作导线通过大电流时,铜箔宽度的载流量应参考表中的数值降额50%去选择考虑。

ii.  在PCB设计加工中,常用OZ(盎司)作为铜皮厚度的单位,1 OZ铜厚的定义为1 平方英尺面积内铜箔的重量为一盎,对应的物理厚度为35um;2OZ铜厚为70um。

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四、如何确定大电流导线线宽
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五、利用PCB的温度阻抗计算软件计算(计算线宽,电流,阻抗等)PCBTEMP

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依次填入Location (External/Internal)导线在表面还是在FR-4板内部、Temp 温度(Degree C)、Width线宽(Mil)、Thickness厚度(Oz/Mil),再点Solve即可求出通过的电流,也可以知道通过的电流,求线宽,非常方便。

可以看到同第一种方法的结果差不多(20摄氏度,10mil线宽,也就是0.010inch线宽,铜箔厚度为1 Oz)。

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六、经验公式
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I=KT0.44A0.75

K为修正系数,一般覆铜线在内层时取0.024,在外层时取0.048

T为最大温升,单位为摄氏度(铜的熔点是1060℃)

A为覆铜截面积,单位为平方MIL(不是毫米mm,注意是square mil.)

I为容许的最大电流,单位为安培(amp)

一般 10mil=0.010inch=0.254可为 1A,250MIL=6.35mm,,为 8.3A。

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七、某网友提供的计算方法如下
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先计算track的截面积,大部分pcb的铜箔厚度为35um(不确定的话可以问pcb厂家)它乘上线宽就是截面积,注意换算成平方毫米。

有一个电流密度经验值,为15~25安培/平方毫米。把它称上截面积就得到通流容量。

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八、关于线宽与过孔铺铜的一点经验
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我们在画PCB时一般都有一个常识,即走大电流的地方用粗线(比如50mil,甚至以上),小电流的信号可以用细线(比如10mil)。

对于某些机电控制系统来说,有时候走线里流过的瞬间电流能够达到100A以上,这样的话比较细的线就肯定会出问题。

一个基本的经验值是:10A/平方mm,即横截面积为1平方毫米的走线能安全通过的电流值为10A。如果线宽太细的话,在大电流通过时走线就会烧毁。

当然电流烧毁走线也要遵循能量公式:Q=I*I*t,比如对于一个有10A电流的走线来说,突然出现一个100A的电流毛刺,持续时间为us级,那么30mil的导线是肯定能够承受住的。

(这时又会出现另外一个问题?导线的杂散电感,这个毛刺将会在这个电感的作用下产生很强的反向电动势,从而有可能损坏其他器件。越细越长的导线杂散电感越大,所以实际中还要综合导线的长度进行考虑)

一般的PCB绘制软件对器件引脚的过孔焊盘铺铜时往往有几种选项:直角辐条,45度角辐条,直铺。他们有何区别呢?新手往往不太在意,随便选一种,美观就行了。

其实不然,主要有两点考虑:一是要考虑不能散热太快,二是要考虑过电流能力。

使用直铺的方式特点是焊盘的过电流能力很强,对于大功率回路上的器件引脚一定要使用这种方式。

同时它的导热性能也很强,虽然工作起来对器件散热有好处,但是这对于电路板焊接人员却是个难题,因为焊盘散热太快不容易挂锡,常常需要使用更大瓦数的烙铁和更高的焊接温度,降低了生产效率。

使用直角辐条和45角辐条会减少引脚与铜箔的接触面积,散热慢,焊起来也就容易多了。

所以选择过孔焊盘铺铜的连接方式要根据应用场合,综合过电流能力和散热能力一起考虑,小功率的信号线就不要使用直铺了,而对于通过大电流的焊盘则一定要直铺。至于直角还是45度角就看美观了。

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