硬件工程师经典面试题（12）： PCB走线宽度与载流量之间有什么关系？
Hello，大家好，今天我们来探讨PCB设计中一个常见问题：
PCB走线宽度与载流量之间有什么关系？
这个问题应该每一位PCB设计工程师都曾经关注过，而具体的估算方法与数据各不相同，容易给新手带来不少困惑。个人认为，精确探讨PCB走线宽度与载流量之间的关系并没有太大的必要（如果有需要，使用相关的小软件计算即可），但作为PCB设计工程师，至少应该对两者之间的关系有大致的判断，这样才能对实践应用有一定的帮助。举个简单的例子，对于最常见的USB 2.0接口，其电源走线应该至少多宽才够呢？
在正式讨论之前，咱们先来思考一下：PCB走线的载流量主要受什么因素制约呢？温度（或者说，温升）！因为PCB走线温度过高会引发诸多不确定性因素，严重情况下，过大电流可能会导致铜箔烧毁，这一点大多数人都应该很容易想到。
值得一提的是，不少人还会忽略一点：PCB走线温度过高还会对PCB基材产生不良影响。以常用的FR-4环氧玻纤布基板为例，它通常是以环氧树脂作为粘合剂。树脂材料有一个称为玻璃转移温度（Glass Transition Temperature）的熔点，通常使用符号Tg表示，它是指材料由玻璃态向高弹态（软化状态）转换的临界温度。也就是说，当温度低于基材Tg值，树脂会呈现刚性玻璃态（比较硬），而当温度高于基材Tg值，树脂会呈现柔软可绕曲的橡胶态（比较软）。
对于FR-4基材来说，Tg值越高，材料的可靠性通常越好（当然，成本也会越高）。一般基材的Tg值约在130℃~150℃，而高等基板的Tg值则不小于170℃。当基材温度大于Tg值时，会引起基材起翘、鼓泡等变形状况，继而影响PCB走线铜箔与基材的结合力，PCB走线也会因形变而断裂，自然就会影响产品的使用寿命。
那么，PCB走线温度主要取决于什么因素呢？当然是热量！具体来说，一是热源，其具备产生热量的能力。二是散热环境，其具备转移（或传导）热量的能力。一般来说，控制PCB走线温度的主要措施就是控制热源（本文也仅讨论此方面），特殊情况下才会进一步优化散热环境。
PCB走线总会存在一定的电阻，当其通过电流时就会产生一定的能量消耗（P=I2R），它以热的形式体现。增加PCB走线的横截面积（宽度与厚度）是降低走线能量消耗的主要方式，因为其降低了走线的电阻（也降低了PCB走线的电流密度）。换句话说，在PCB走线厚度一定的情况下，增加走线宽度是提升PCB走线载流量最简单有效的方法（在大电流应用场合也会使用更大的铜厚，这可以在PCB工艺文件中指定）。
当然，PCB走线载流量与允许的最高温度也有关系。如果温度要求不严格（可以更高），那么相同PCB走线的载流能力也会更大。也就是说，PCB走线的载流能力并不是将铜箔烧毁时的载流值，因为铜箔的熔点超过1000oC，远大于PCB基材的Tg值。
综上所述，PCB载流能力主要与走线的宽度、走线的厚度以及允许温升有关系。目前使用比较广泛的估算公式源自于IPC-2221标准，《PADS PCB设计指南》一书中也对其进行了详细阐述，具体如下式所示（仅供一般性参考，实际使用时将该公式输入到EXCEL即可快速计算）：
其中， I为走线允许的最大电流，单位：安培（A）；k为修正系数，内层走线为0.024，外层走线为0.048；△T为允许温升，单位：摄氏度℃（10℃和20℃最常见）；A为走线横截面积，即铜厚乘线宽，单位：平方mil；
当然，上式中包含走线横截面积，实际使用时其实并不方便，最好直接给出走线宽度、铜厚与载流量的对照表，《PADS PCB设计指南》一书中也进行一些计算（参考表7.1），其中给出了温升为10oC时外层PCB走线（铜厚分别为0.5oz、1oz、2 oz）在不同线宽时的载流量。例如，USB 2.0的电源电流最大为500mA，在铜厚为0.5oz时，PCB走线宽度为10mil时恰好足够，为保证一定的设计裕量，可适当增加线宽或铜厚。
很多电源走线在换层时会添加多个过孔，所以对过孔的载流能力分析也很重要。上式也可以扩展到过孔的载流能力计算，详情见《PADS PCB设计指南》一书，其中也进行了具体的公式推导，并给出了一些载流量数据，此处不再赘述。
