用于PCB迹线电流和加热的IPC-2221计算器

IPC-2221标准包括对印刷电路板设计和可制造性的许多要求，并且有多种基于此标准开发的在线计算器。除了阻抗和环孔计算之外，本标准中指定的其他主要公式之一还涉及温升、迹线宽度和迹线电流。IPC-2221标准和IPC-2152标准均含有关热可靠性设计的指南，并且对于每个标准的适用性均存在争论。

如果您已选择IPC-2221作为合规指标，那么您很幸运。我们打造了一款简单的计算器应用，可用于估算用于给定加热限制的迹线宽度限制。如果您是Altium Designer用户，则可在布线时在PCB编辑器中访问这些功能。继续阅读以了解IPC-2221中的热分析公式，然后您将在下方找到我们的计算器应用。

IPC-2221包含什么功能？

IPC-2221标准是适用于PCB/PCBA的通用印刷电路板资格和验收标准。标准中的要求定义了某些设计约束，旨在确保安全性、可靠性和可制造性。标准中的资格为通用标准；在2220系列标准中可以找到适用于不同类型电路板的更具体标准。

在IPC-2221标准中，有两个部分描述了PCB中导体的热行为与电行为之间的关系：

• 第6.2节 - 导电材料要求
• 附录B

这两节包含一对将迹线宽度与迹线承载的电流相关联的图表，这些图表最常在IPC-2152上下文中引用。您可以在链接的文章中查看这些图表，以了解内部迹线和外部迹线。IPC-2221第6.2节中还给出了一个将迹线横截面积（A，单位为平方英寸）关联到高于环境温度的所需温升（ΔT，单位为°C）和平均电流（I，单位为安培）：

这个公式非常简单，可在我下方提供的计算器中使用。如果您使用此公式来确定迹线的横截面积，则需要使用铜重量（厚度）来确定导体的宽度。您计算的此宽度将是限制温升低于指定ΔT值所需的最小宽度值。

IPC-2221迹线宽度计算器

下方应用实施了上述公式，并将其用于计算将温度保持在特定值以下所需的迹线宽度。换句话说，您可以将铜重量值输入计算器，它将根据电流和温升限制确定所需的迹线宽度。

结果

CAD系统中是否存在此类在线工具？Altium Designer用户可在PCB编辑器窗口的布线工具内访问自动IPC-2221计算器。要使用此功能，只需在要分析的网络中选择一条迹线，然后在“属性面板”内扩展“网络信息”区域中的数据。在这里，将显示该迹线部分的最大电流计算结果。

• Altium Designer中的IPC-2221计算器假定允许的温升限制为ΔT = 20 °C。

上方计算器已适用于布线中的任何弧，但最近的更新扩展了该功能，包括尚未转换为免费基元的长度调整部分。如果您已安装版本22的最新更新，则Altium Designer内的IPC-2221计算器现可对PCB布局中的长度调整对象执行操作。上方GIF中显示的相同过程也可用于长度调整部分。

关于IPC-2221公式的部分注释

就上方所示公式的准确性和适用范围而言，有一些要点需要注意。

• 该公式基于上方链接文章中的图表
• 该公式假设电路板处于STP的空气环境中
• 用于开发该公式的测试电路板仅使用厚板上的迹线，附近没有额外的铜（平面或浇注）来帮助传输热量
• 为了承载高电流，可将靠近在一起的多条并行迹线视为一条大型迹线
• 如果电路板很薄（最多约30密耳），则标准建议降额15%而不是10%
• 导热率高于标准环氧玻璃纤维层压板的基板将具有不同的电流/迹线宽度限制

这一切都意味着，当我们开始研究现代PCB时，IPC-2221计算器的结果非常保守。换句话说，如果包括迹线周围的平面和覆铜，则计算出的载流能力值很可能会被低估。相反，计算出的最小迹线宽度可能会被高估。使用这些结果时请记住这些要点，因为计算器预测所需的迹线宽度可能会过大。

由于这种已知与当今PCB设计的不一致，因此人们渴望开发一种新标准，以提供更高的特异性，从而提高准确性。以下是IPC-2152标准概览。

IPC-2221与IPC-2152：哪个更准确？

我经常提及在线计算器的局限性，上方显示的IPC-2221计算器与我在上面几点中描述的并无不同。的确，从IPC-2221计算出的最小宽度值可能会被高估，因此IPC-2152标准试图扩展可用的数据集，以包括多个用于确定迹线宽度、温升和电流限制的列线图。

在就本文进行研究时，我发现了一篇由播客嘉宾Mike Jouppi撰写的旧版IPC-2152工作文件。本文说明了IPC-2152尝试捕获电路板中不同设计条件的深度，包括铜重量的变化、平面的存在、迹线到平面的距离以及空气与真空中的使用情况。

为什么如此深入调查IPC-2152？下方图表应该说明为什么需要如此多的细节。下图来自IPC-2221，附录B。该图表中的数据比较了向相同尺寸迹线提供给定电流时测量的温升值。我们可以看到，IPC结果极大地高估了所有当前值的预期温升。这就是为什么基于IPC-2221的计算器可能会高估所需的导体宽度。

为了帮助用户为其产品制定最佳设计决策，特别是在高可靠性很重要的情况下，我们汇编了以下资源，可帮助您更好地了解迹线宽度对温升和电流限制的影响：

• 免费的在线IPC-2152计算器
• IPC-2152下的迹线宽度与当前表格（显示内部迹线表）
• 内部和外部迹线的IPC-2152数据
• 电源平面电流限制计算
• 如何使用热阻和电导率来估算温度
• 电路板热分析指南

下次要快速查看PCB的IPC-2221计算结果时，请使用Altium Designer®中业界最佳的PCB布线工具集。当设计完成并准备将文件递交给制造商时，Altium 365™平台可以轻松地协作并共享您的项目。

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