载流量与线路发热的关系

电流流经PCB导线时，由于铜箔的电阻特性，电能会转化为热能（遵循焦耳定律 Q=I²Rt）。导线温度升高是核心限制因素，温度过高会导致：

铜箔氧化、剥离

基板材料碳化、分层

焊点熔化、元器件损坏

因此，载流量计算本质是温升控制。导线宽度、厚度（铜厚）、环境温度、允许温升目标共同决定了其载流能力。

IPC-2221标准与走线宽度经验公式

IPC-2221是PCB设计的通用基础标准，其提供的经验公式被广泛采用：

外层导线（暴露在空气中）：

I = k ΔT^0.44 A^0.725

内层导线（夹在介质层中）：

I = k ΔT^0.44 A^0.725

● I: 最大载流量 (安培, A)

● ΔT: 导线允许温升 (摄氏度, °C) - 常用值：10°C（高可靠性）、20°C（通用）、30°C（空间受限）

● A: 导线横截面积 (平方密耳, mil²) [注：1 mil = 0.001 inch, 1 mil² ≈ 0.000645 mm²]

● k: 校正系数 (与铜层位置相关)

○ 外层：k = 0.048

○ 内层：k = 0.024

核心参数：横截面积 A

A = 走线宽度(W) * 铜箔厚度(T)

● 走线宽度 (W): 设计者直接控制的参数。

● 铜箔厚度 (T): 通常用盎司/平方英尺 (oz) 表示：

○ 1 oz: 表示1平方英尺面积上铜的重量为1盎司，厚度约 1.4 mil (35 μm)

○ 2 oz: 厚度约 2.8 mil (70 μm)

○ 0.5 oz: 厚度约 0.7 mil (17.5 μm)

单面/多层PCB走线宽度选择差异

● 单面板： 所有导线都在外层，散热相对较好。通常可以使用略窄于内层的线宽承载相同电流（在相同铜厚下）。

● 多层板：

○ 外层导线： 散热最好（单面或双面接触空气），载流能力最强。

○ 内层导线： 包裹在FR-4等导热性差的介质材料中，散热困难，相同宽度和铜厚的导线，内层载流能力显著低于外层（通常约为外层的50%或更低）。IPC公式中内层k值（0.024）小于外层k值（0.048）即体现了这一点。

铜厚对载流能力的影响

铜厚是决定载流能力的核心因素之一。 横截面积A = 宽度W * 厚度T。在相同宽度、相同温升条件下：

● 铜厚加倍 (如1oz -> 2oz)，横截面积加倍，载流能力显著提升 (并非严格线性加倍，受公式指数影响)。

● 对于大电流需求，增加铜厚比单纯增加线宽更有效，尤其在空间受限区域。2oz甚至3oz铜厚常用于电源板、电机驱动等场景。

● 铜厚选择需平衡成本、加工难度（蚀刻精度）和电流需求。

外层与内层走线宽度计算差别要点

1.  散热环境差异： 外层散热远优于内层。

2.  k值不同： IPC公式中外层k=0.048，内层k=0.024，直接导致计算结果不同。

3.  设计策略：

a.  关键电源/大电流路径优先布在外层。

b.  内层走线需要更宽或更厚才能达到与外层相同的载流量。

c.  计算时务必明确区分走线所在层。

实际设计中的容错与冗余

降额设计： 不要刚好卡在理论计算值。建议留出 20%-50% 的余量，应对：

○ 制造公差（线宽、铜厚可能略小于设计值）

○ 环境温度波动

○ 突发电流峰值

○ 长期老化影响

多根走线并联： 超大电流时可考虑用多根较窄的平行走线代替单根超宽走线，改善散热和布线灵活性。

敷铜/电源平面： 对于极高电流，使用大面积敷铜或完整的电源/地层是最佳选择，其载流能力和散热效果远优于普通走线。

考虑邻近效应： 密集布线时，邻近导线发热会相互影响，可能需要进一步加宽间距或线宽。

示例：3A电流应选用多宽走线？

假设条件：

目标电流： 3A

允许温升： ΔT = 20°C (通用场景)

铜厚： 1 oz (35μm)

走线位置： 外层 (散热较好)

计算步骤：

1.  选择公式： 外层导线公式 I = 0.048 ΔT^0.44 A^0.725

2.  代入已知： 3 = 0.048 (20)^0.44 A^0.725

3.  计算常数部分：

a.  (20)^0.44 ≈ 20^0.44 ≈ 3.56 (可使用计算器)

b.  0.048 * 3.56 ≈ 0.171

c.  公式简化为： 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 (使用计算器进行幂运算)

6.  求宽度 W：

a.  铜厚 T = 1 oz ≈ 1.4 mil

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

7.  单位转换 (可选)：

a.  38.4 mil ≈ 0.0384 inch ≈ 0.975 mm

结论：

在 1oz铜厚、外层、20°C温升 条件下，承载 3A 电流所需的最小理论走线宽度约为 38.4 mil (≈0.98 mm)。

实际设计考虑

增加冗余： 建议选用 ≥ 50 mil (≈1.27 mm) 的线宽，提供约30%的余量。

内层差异： 若此线必须走在内层，按公式计算（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)

○ 可见内层所需宽度远大于外层！实际可能考虑增加铜厚至2oz或使用电源平面。

工具验证： 强烈建议使用推荐的计算工具（如Saturn PCB Toolkit或在线计算器）进行复核。

精确计算PCB走线宽度是保证电路板长期可靠运行的关键。深入理解IPC-2221标准、铜厚影响以及内外层散热差异是基础。设计中务必结合实际情况（环境温度、允许温升、制造能力）并加入足够的工程冗余。善用专业计算工具能极大提高设计效率和准确性，避免因过流发热导致的潜在故障风险。