在一个完整的设计项目中，电源平面处理的好坏决定着产品的质量，在PCB设计过程中电源平面处理应该考虑的哪些因素？

 做电源处理时，首先应该考虑的是其载流能力；其次考虑电源路径。

一、电源平面载流能力

1、电源线宽或铜皮的宽度是否足够

 问题：PCB上10A的电流需要走多宽的线？需要几个过孔？ 

     按照经验，一般1A的电流需要走1mm的宽度，那是不是10A就得走10mm宽？

    答：PCB空间足够，当然可以这么走，某些情况下而且大电流走线越粗越好。但是在多层PCB中，空间有限的情况下，10mm可能根本就走不下去。
   

1.1、载流能力基础知识

一般线路板厂家以OZ表示铜箔厚度，1OZ的厚度表示将1OZ重量的铜均匀铺在1平方英尺（FT2）面积上达到的铜箔厚度，约为0.035mm，1OZ=35um=0.035mm= 0.0014inch。

它是用单位面积的重量来表示铜箔的平均厚度。用公式来表示即：1OZ=28.35g/FT2

一般PCB铜厚有三个尺寸，0.5OZ、1OZ和2OZ，所以35um,50um,70um,对应的以oz为计量单位的厚度为1OZ，1.5OZ，2OZ.主要用在消费类和通讯类产品上，3OZ属于厚铜，少见，主要用于大电流、高压的电源产品上。

我们常用的多层板，要考虑电源线宽，首先要了解电源信号处理所在层的铜厚是多少，一般TOP/BOTTOM层铜厚为1OZ，内层铜厚根据实际情况做到1OZ或者为0.5OZ，具体的可以问PCB制作厂家。

嘉立创铺铜厚度为

 

1.2、线宽的计算公式

PCB的载流能力主要和线宽、线厚（铜箔厚度）以及温升有关系，线宽越大，载流能力越强。

PCB走线宽度是走线的水平尺寸，而厚度是走线的垂直尺寸

走线参数示意图

方法一、估算：外层，1oz铜厚，1mm线宽可以通过1A电流。在内层，1oz铜厚，1mm线宽可以通过0.5A电流。

方法二、计算： PCB走线的载流能力与以下因素有关：线宽、线厚（铜箔厚度）、容许温升。PCB走线越宽，载流能力越大。铜线承载电流大小与其横截面积A和温度差有关

国际通用PCB制作标准IPC-2221规范给出的线宽计算公式为：

其中公式中参数含义为：

1、I为容许通过的最大电流，单位为安培A；

2、0.024和0.048为修正系数，一般用K表示，25℃内层走线，K=0.024，表层走线，K=0.048；

3、dT为最大温升，单位为摄氏度℃，常见的是10和20；

4、A为走线截面积，截面积等于铜厚乘以线宽，单位为平方mil²，A = 铺铜厚度 * 线宽

    先由I、K、T导出A，再由A、d导出W（单位为mil）。常用PCB的覆铜厚度d=1.378mil，加厚的可查表或咨询厂家得到，温升T取10摄氏度。
    增加PCB载流能力的措施：PCB尽量用覆铜较厚的（盎司值较高）、开窗镀锡、尽量宽的布线、双面甚至多面布线（要用灌锡的多个通孔连接）、加焊铜线、铜条等。
 

建议：

1、首先PCB电源线的宽度最好在40mil以上，最低也要在25mil以上，在条件允许的情况下尽量宽；

2、另外还要考虑实际的电流，一般10mil可承受的最大电流为1A，根据实际电流选取合适线宽；

3、电源的地线要宽于V+的线宽，并尽量包围着V+以减少干扰，降低电源纹波；

4、换算成mm可简单记为电源正不低于0.6mm，电源负要大于电源正，且包围在电源正周围。

    电流在5A以内，通过计算和较宽的走线设计，可以满足要求。电流在10A以上，计算结果以及比较难以满足载流能力的需求了，何况还有电压跌落问题，所以强烈建议通过DC的仿真来设计。

    1安培电流所需的外层铜皮宽度也就是15~20mil左右，考虑降额50%普遍设计40mil，当电流是5安培的时候，可能需要250mil左右的铜皮宽度，并不是20mil的5倍当电流是10安培的时候，可能需要800mil的铜皮宽度。

一般经验：

    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。

1OZ铜厚，在常规情况下，20mil能承载1A左右电流大小；

0.5OZ铜厚，在常规情况下，40mil能承载1A左右电流大小。

PCB中的尺寸有两种，mm和mil，转换关系为1mm=39mil。

    比如常用IC走线宽度10mil、1OZ 允许的电流大概在675mA左右，8mil、1OZ允许的电流大概在550mA左右。可以参考下图 (一般降额应用50%)

外层布线不同长度载流能力（单位1mil=0.0254mm）

 

    标准PCB板的铜箔厚度为35um，按照上表 理想情况下 导线只要0.4mm宽就可以过1A电流，当然是在 温升、厚度、工艺稳定的情况下 ，是用1mm过1A ？还是用10mm过1A，会不会太过保守？

    为了安全起见：我一般也是按照1mm宽导线 过1A电流，安全量也是足够的。

    当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，还有别的办法可以解决。

    我看到一些电源电路中由于PCB板的限制，通过大电流的线路设计成长的焊盘，并在上面淌上焊锡，形成很粗的电流通路.除去在铜箔镀锡可增加通过电流外，可考虑PCB多网路增加电流，如正反双面均布同样线路，也可用加短连线的办法增加电流。

一般pcb布线线宽要考虑两个问题。

一是电流的大小，如果流过的电流大的话，走线就不能够太细；

二是要考虑板厂的实际制板能力如果电流小的话，那走线可以细一点，但是太细的话，有些PCB板厂可能就制作不出了，或者制作得出但是不良率上升，所以要考虑PCB板商问题。

    电源线、地线的宽度最好尽可能宽，地线比电源线宽。这些关系为：地线>电源线>信号线，通常信号线的宽度为0.2-0.3mm(8-12mil)，最细的宽度为0.05-0.07mm(2-2.8mil)，电源线为1.2-2.5mm(48-100mil)。(0.025mm=1mil).
 

2、换层时孔大小及数目是否满足载流能力

问题：电源12V换层只有6个12mil的过孔，不满足10A要求

      整改后电源12V换层过孔增加到14个 

         

2.1、过孔与载流能力

 

单个过孔的通流能力，在常规情况下，温升为10度。

PCB过孔的载流能力计算方法（可近似外层K=0.048）：

其中A=PI*(D+T)*T；

其中D为孔内径，T为孔的沉铜厚度

    常规情况下镀铜厚度IPC2级或者IPC3级标准一般为0.8mil(约20um)到1mil(约25um)，而对于一些HDI板，因为盲孔不易电镀同时为了细线制作的问题，会适度的降低对孔铜厚度的要求，因此也有极限孔铜厚度10um左右。

    通过Saturn PCB Design Toolkit(一个仿真工具，可计算PCB常用的参数数据，如过孔的寄生电容、电感，导线载流能力，相互耦合信号线间的串扰等)仿真约20um孔铜厚度的过孔时得到如下数据：

    12mil的孔径可以安全承载1.2A左右电流，比行业里普遍认可的0.5A要宽松(为保证安全建议还是按照12mil走0.5A电流设计)；更大的16mil、20mil甚至24mil的孔径，在载流上优势并不明显，这说明孔径大小与载流能力并不是线性增加的。推荐使用10~12mil的孔来承载电流，效率更高，也更方便设计。

    20A电流，打了20个12mil过孔，按照每个孔承载1.2A来计算，感觉非常安全。但是实际上电流并没有你想象的听话，并不是在20个过孔里面平均分配的。有些过孔走了2.4A的电流，有些才200mA。当然，这个设计可能最终并不会有太大风险。因为12mil的过孔在温升30度的时候是可以承载2A以上电流的。但是，如果不均匀性进一步放大呢？这个是和你电流的通道，过孔的分布、数量都有关系的，万一某个过孔走了3A甚至4A的电流呢？并且这时候你打25个或者30个过孔，只要没有在电流的关键位置，提供的帮助并不会很大。原因就还是那句话：电流没有你想象的听话，总是走最近，电阻最小的通道，并不是每个过孔都是走平均的电流，而是最近的，线路最短的过孔电流最大，太小的话，过孔会过载。

    同时，由于电流分布的不均匀性，实际放置多个过孔时，电流的分布不是均等的，跟过孔的分布、数量、位置都有关系。最有效的方式是通过DC仿真软件（如Allegro的IR Drop）来进行评估。

    需要注意的是当过孔打在大电流电源回路上时，适当增加过孔的数量可以提高回路载流能力，也有利于散热；但是过孔打在信号线上时，太多的过孔有可能产生更多的EMI，所以信号线上要严格控制过孔数量。

pcb布线常用线宽

1、一般线宽线距控制到 8/8mil ，过孔选择 12mil（0.3mm），大部分的PCB生产厂商都能生产，并且生产的成本低。

2、一般线宽线距控制到 6/6mil ，过孔选择 12mil（0.3mm），大部分的PCB生产厂商都能生产，并且生产的成本低。

3、线宽线距最小控制到 4/4mil，过孔选择 8mil（0.2mm），也有一半多的PCB生产厂商都能生产，不过价格会比前面的贵一点。

4、线宽线距最小控制到 3.5/3.5mil，过孔选择 8mil（0.2mm），能生产的PCB生产厂商更少了，并且价格也会贵一点。

5、线宽线距最小控制到 2/2mil，过孔选择 4mil（0.1mm），许多的pcb生产厂商都生产不了，这种的价格是最高的。

6、市电的火线和零线：80-100mil，12V /24V 20mil~60mil，+5V 20-30mil，+3V 20-30mil，GND 越宽越好20-30mil，普通信号线 10mil-20mil根据元器件密集度自行决定

根据PCB设计的密度来进行设置线宽的话，密度较小，可设置线宽线距大一点，密度较大，可设置线宽线距小一点：

总结：

常用信号线宽与过孔为以下内容:

1）8/8mil，过孔选择12mil（0.3mm）。
2）6/6mil，过孔选择12mil（0.3mm）。
3）4/4mil，过孔选择8mil（0.2mm）。
4）3.5/3.5mil，过孔选择8mil（0.2mm）。
5）3.5/3.5mil，过孔选择4mil（0.1mm，激光打孔）。
6）2/2mil，过孔选择4mil（0.1mm，激光打孔）。
参考过孔：内径12mil、外径20mil
参考内径20mil、外径30mil

2.2、PCB设计辅助软件

    根据公式即可计算出对应电流需要走多宽的线，但是计算比较麻烦，网上有很多计算工具，软件算法也是执行IPC-2221标准规范。 

    网上找了三个工具，计算出来的结果都差不多，其中两个是一样的。

    载流10A，最大温升10℃，环境温度25℃，铜厚1OZ，走线长度10mm，计算得出的走线宽度：内层18.71mm，表层走线7.19mm，我用公式计算了一遍，结果是一样的。

  同时ProPCB设计助手也支持计算过孔数量，主要和过孔内径、过孔铜厚有关，在这里不做过多的叙述。

3、PCB走线过孔速查表

 依据IPC-2152保守图表衍生表格来计算PCB走线宽度和过孔尺寸

 

二、电源路径方面的规则

 问题：某电源转接板6层板，电压差大的电源平面之间空间重叠

第4层和第5层 

第5层和第6层 

 整改后绿色48V和棕色GND相隔离

整改后底层其他红色12V、蓝色3V3、棕色GND 和绿色48V针脚相隔离

  

问题：各个电源铺铜线宽窄，导致过流能力不足

 

整改后换层孔区域删除和移动

整改后换层孔区域删除和移动

1、重叠电源与地线层规则

    如若在相邻平面处理电源，要尽量避免铜皮或者走线平行处理，不同电源层在空间上要避免重叠。主要是为了减少不同电源之间的干扰， 特别是一些电压相差很大的电源之间，一般规定压差大于5V , 电源平面的重叠问题一定要设法避免， 难以避免时可考虑中间隔地层。

    电源层平面分割应注意一个电源平面不要分割的太碎，一个电源平面内处理的电源尽量不要超过5个电源信号，最好控制在3个电源信号以内，以保证载流能力及规避相邻层信号跨分割风险，如图所示。

电源平面的分割

2、20H规则

    是指电源层相对地层内缩20H的距离，当然也是为抑制边缘辐射效应。在板的边缘会向外辐射电磁干扰。将电源层内缩，使得电场只在接地层的范围内传导。有效的提高了EMC。若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地边沿内；内缩100H则可以将98%的电场限制在内。

    "20H规则"的采用是指要确保电源平面的边缘要比0V平面边缘至少缩入相当于两个平面间层距的20倍。这个规则经常被要求用来作为降低来自0V/电源平面结构的侧边射击发射技术（抑制边缘辐射效应）。

但是，20H规则仅在某些特定的条件下才会提供明显的效果，这些特定条件包括有： 

1. 在电源总线中电流波动的上升/下降时间要小于1ns。

2. 电源平面要处在PCB的内部层面上，并且与它相邻的上下两个层面都为0V平面。这两个0V平面向外延伸的距离至少要相当于它们各自与电源平面间层距的20倍。

3. 在所关心的任何频率上，电源总线结构不会产生谐振。

4. PCB的总导数至少为8层或更多。

    由于电源层与地层之间的电场是变化的， 在板的边缘会向外辐射电磁干扰。称为边沿效应。解决的办法是将电源层内缩， 使得电场只在接地层的范围内传导。以一个H（电源和地之间的介质厚度）为单位，若内缩20H则可以将70%的电场限制在接地层边沿内；内缩100H则可以将98%的电场限制在内。

3、电源和地规则  

   其他对于单双层板电源线应尽量粗而短。电源线和地线的宽度要求可以根据1mm的线宽最大对应1A 的电流来计算，电源和地构成的环路尽量小。

      为了防止电源线较长时，电源线上的耦合杂讯直接进入负载器件，应在进入每个器件之前，先对电源去耦。且为了防止它们彼此间的相互干扰，对每个负载的电源独立去耦，并做到先滤波再进入负载。

   在布线中应保持接地良好。如下图。

    单板主工作电源平面（使用最广泛的电源平面）应与其地平面紧邻，以有效地减小电源电流的回路面积，如图所示。

                                       电源平面应与其地平面紧邻

4、电源与地线层的完整性规则

    对于导通孔密集的区域，要注意避免孔在电源和地层的挖空区域相互连接，形成对平面层的分割，从而破坏平面层的完整性，并进而导致信号线在地层的回路面积增大。

5、电源路径应该尽量短

如果走的过长，电源的压降会比较严重，压降过大会存在设备不识别等各种问题。

6、电源平面分割要尽量保持规则

不允许有细长条、哑铃形分割以及各种奇形怪状的分割方式。

    电源分割时，电源与电源平面分割距离尽量保持在20mil左右，如果在BGA部分区域，可局部保持10mil距离的分割距离，如果电源平面与平面距离过近，可能会有短路的风险。

7、做电源分割时应尽量避免相邻信号线跨分割情况

    信号在跨分割（如下图示红色信号线有跨分割现象）处因参考平面不连续会有阻抗突变情况产生，会产生EMI、串扰问题，在做高速设计时，跨分割会对信号质量影响很大。   

8、减少走线长度和面积，不要满场跑

输入上的开关噪声耦合到了电源输出的平面。输出电源的MOS管的开关噪声影响了前级的输入电源。

如果电路板上存在大量大电流DCDC，则有不同频率，大电流高电压跳变干扰。

所以我们需要减小输入电源的面积，满足通流就可以。所以在电源布局的时候，要考虑避免输入电源满板跑。