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載流量與線路發(fā)熱的關(guān)系

電流流經(jīng)PCB導(dǎo)線時(shí)，由于銅箔的電阻特性，電能會(huì)轉(zhuǎn)化為熱能（遵循焦耳定律 Q=I2Rt）。導(dǎo)線溫度升高是核心限制因素，溫度過(guò)高會(huì)導(dǎo)致：

銅箔氧化、剝離

基板材料碳化、分層

焊點(diǎn)熔化、元器件損壞

因此，載流量計(jì)算本質(zhì)是溫升控制。導(dǎo)線寬度、厚度（銅厚）、環(huán)境溫度、允許溫升目標(biāo)共同決定了其載流能力。

IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)與走線寬度經(jīng)驗(yàn)公式

IPC-2221是PCB設(shè)計(jì)的通用基礎(chǔ)標(biāo)準(zhǔn)，其提供的經(jīng)驗(yàn)公式被廣泛采用：

外層導(dǎo)線（暴露在空氣中）：

I = k ΔT^0.44 A^0.725

內(nèi)層導(dǎo)線（夾在介質(zhì)層中）：

I = k ΔT^0.44 A^0.725

● I: 最大載流量 (安培, A)

● ΔT: 導(dǎo)線允許溫升 (攝氏度, °C) - 常用值：10°C（高可靠性）、20°C（通用）、30°C（空間受限）

● A: 導(dǎo)線橫截面積 (平方密耳, mil2) [注：1 mil = 0.001 inch, 1 mil2 ≈ 0.000645 mm2]

● k: 校正系數(shù) (與銅層位置相關(guān))

○ 外層：k = 0.048

○ 內(nèi)層：k = 0.024

核心參數(shù)：橫截面積 A

A = 走線寬度(W) * 銅箔厚度(T)

● 走線寬度 (W): 設(shè)計(jì)者直接控制的參數(shù)。

● 銅箔厚度 (T): 通常用盎司/平方英尺 (oz) 表示：

○ 1 oz: 表示1平方英尺面積上銅的重量為1盎司，厚度約 1.4 mil (35 μm)

○ 2 oz: 厚度約 2.8 mil (70 μm)

○ 0.5 oz: 厚度約 0.7 mil (17.5 μm)

單面/多層PCB走線寬度選擇差異

● 單面板： 所有導(dǎo)線都在外層，散熱相對(duì)較好。通?？梢允褂寐哉趦?nèi)層的線寬承載相同電流（在相同銅厚下）。

● 多層板：

○ 外層導(dǎo)線： 散熱最好（單面或雙面接觸空氣），載流能力最強(qiáng)。

○ 內(nèi)層導(dǎo)線： 包裹在FR-4等導(dǎo)熱性差的介質(zhì)材料中，散熱困難，相同寬度和銅厚的導(dǎo)線，內(nèi)層載流能力顯著低于外層（通常約為外層的50%或更低）。IPC公式中內(nèi)層k值（0.024）小于外層k值（0.048）即體現(xiàn)了這一點(diǎn)。

銅厚對(duì)載流能力的影響

銅厚是決定載流能力的核心因素之一。 橫截面積A = 寬度W * 厚度T。在相同寬度、相同溫升條件下：

● 銅厚加倍 (如1oz -> 2oz)，橫截面積加倍，載流能力顯著提升 (并非嚴(yán)格線性加倍，受公式指數(shù)影響)。

● 對(duì)于大電流需求，增加銅厚比單純?cè)黾泳€寬更有效，尤其在空間受限區(qū)域。2oz甚至3oz銅厚常用于電源板、電機(jī)驅(qū)動(dòng)等場(chǎng)景。

● 銅厚選擇需平衡成本、加工難度（蝕刻精度）和電流需求。

外層與內(nèi)層走線寬度計(jì)算差別要點(diǎn)

1.  散熱環(huán)境差異： 外層散熱遠(yuǎn)優(yōu)于內(nèi)層。

2.  k值不同： IPC公式中外層k=0.048，內(nèi)層k=0.024，直接導(dǎo)致計(jì)算結(jié)果不同。

3.  設(shè)計(jì)策略：

a.  關(guān)鍵電源/大電流路徑優(yōu)先布在外層。

b.  內(nèi)層走線需要更寬或更厚才能達(dá)到與外層相同的載流量。

c.  計(jì)算時(shí)務(wù)必明確區(qū)分走線所在層。

實(shí)際設(shè)計(jì)中的容錯(cuò)與冗余

降額設(shè)計(jì)： 不要?jiǎng)偤每ㄔ诶碚撚?jì)算值。建議留出 20%-50% 的余量，應(yīng)對(duì)：

○ 制造公差（線寬、銅厚可能略小于設(shè)計(jì)值）

○ 環(huán)境溫度波動(dòng)

○ 突發(fā)電流峰值

○ 長(zhǎng)期老化影響

多根走線并聯(lián)： 超大電流時(shí)可考慮用多根較窄的平行走線代替單根超寬走線，改善散熱和布線靈活性。

敷銅/電源平面： 對(duì)于極高電流，使用大面積敷銅或完整的電源/地層是最佳選擇，其載流能力和散熱效果遠(yuǎn)優(yōu)于普通走線。

考慮鄰近效應(yīng)： 密集布線時(shí)，鄰近導(dǎo)線發(fā)熱會(huì)相互影響，可能需要進(jìn)一步加寬間距或線寬。

示例：3A電流應(yīng)選用多寬走線？

假設(shè)條件：

目標(biāo)電流： 3A

允許溫升： ΔT = 20°C (通用場(chǎng)景)

銅厚： 1 oz (35μm)

走線位置： 外層 (散熱較好)

計(jì)算步驟：

1.  選擇公式： 外層導(dǎo)線公式 I = 0.048 ΔT^0.44 A^0.725

2.  代入已知： 3 = 0.048 (20)^0.44 A^0.725

3.  計(jì)算常數(shù)部分：

a.  (20)^0.44 ≈ 20^0.44 ≈ 3.56 (可使用計(jì)算器)

b.  0.048 * 3.56 ≈ 0.171

c.  公式簡(jiǎn)化為： 3 = 0.171 * A^0.725

4.  求 A^0.725：

a.  A^0.725 = 3 / 0.171 ≈ 17.54

5.  求 A：

a.  A = (17.54)^(1/0.725) ≈ (17.54)^1.379 ≈ 53.8 mil2 (使用計(jì)算器進(jìn)行冪運(yùn)算)

6.  求寬度 W：

a.  銅厚 T = 1 oz ≈ 1.4 mil

b.  W = A / T = 53.8 mil2 / 1.4 mil ≈ 38.4 mil

7.  單位轉(zhuǎn)換 (可選)：

a.  38.4 mil ≈ 0.0384 inch ≈ 0.975 mm

結(jié)論：

在 1oz銅厚、外層、20°C溫升 條件下，承載 3A 電流所需的最小理論走線寬度約為 38.4 mil (≈0.98 mm)。

實(shí)際設(shè)計(jì)考慮

增加冗余： 建議選用 ≥ 50 mil (≈1.27 mm) 的線寬，提供約30%的余量。

內(nèi)層差異： 若此線必須走在內(nèi)層，按公式計(jì)算（k=0.024）：

○ 3 = 0.024 3.56 A^0.725 => 3 ≈ 0.0854 * A^0.725 => A^0.725 ≈ 35.13 => A ≈ 160.8 mil2

○ W = 160.8 / 1.4 ≈ 114.9 mil (≈2.92 mm)

○ 可見內(nèi)層所需寬度遠(yuǎn)大于外層！實(shí)際可能考慮增加銅厚至2oz或使用電源平面。

工具驗(yàn)證： 強(qiáng)烈建議使用推薦的計(jì)算工具（如Saturn PCB Toolkit或在線計(jì)算器）進(jìn)行復(fù)核。

精確計(jì)算PCB走線寬度是保證電路板長(zhǎng)期可靠運(yùn)行的關(guān)鍵。深入理解IPC-2221標(biāo)準(zhǔn)、銅厚影響以及內(nèi)外層散熱差異是基礎(chǔ)。設(shè)計(jì)中務(wù)必結(jié)合實(shí)際情況（環(huán)境溫度、允許溫升、制造能力）并加入足夠的工程冗余。善用專業(yè)計(jì)算工具能極大提高設(shè)計(jì)效率和準(zhǔn)確性，避免因過(guò)流發(fā)熱導(dǎo)致的潛在故障風(fēng)險(xiǎn)。