关键词：电流密度；PCB
1.概述
在电磁学里，电流密度(Current Density)以矢量的形式定义，描述电路中某点的电流强弱和流动方向。其大小等于单位时间内通过某一单位面积的电量，方向向量为单位面积相应截面的法向量，指向由正电荷通过此截面的指向确定。单位是安培每平方米，记作A/m2。 它在物理中一般用J表示。
2.计算公式
3.三种电流密度形式
体电流密度
电荷在某一体积内定向运动所形成的电流称为体电流。一般情况下，在导体内某一截面上不同的点，电流的大小和方向往往是不同的。为了描述该截面上的电流分布，引入电流密度矢量J其定义为：空间任一点J的方向是该点上正电荷运动的方向，J的大小等于在该点于J垂直的单位面积的电流，即
（图片来源：知乎quote6）
面电流密度
（图片来源：知乎quote6）
线电流密度
电荷在一个横截面可以忽略的细线中做定向运动所形成的电流称为线电流，可以认为电流是集中在细导线的轴线上。长度元dl中流过电流I，将Idl称为电流元。线电流也是电磁场理论中的重要概念。
4.电流密度与电流强度的关系
电流强度I是单位时间通过导体某一截面的电量，它描述导体中某一截面上电荷流动的总体情况。而电流密度J是描述导体中某一点处电荷流动的情况。也就是说它精细地反应电流场中电流分布的细节。它们之间的联系是
由此可见，通过曲面S的电流强度等于通过该曲面的电流密度的通量。
当导体中有交流电或者交变电磁场时，导体内部的电流分布不均匀，电流集中在导体的“皮肤”部分，也就是说电流集中在导体外表的薄层，越靠近导体表面，电流密度越大，导体内部实际上电流较小。结果使导体的电阻增加，使它的损耗功率也增加。这一现象称为趋肤效应(skin effect)。
5.PCB走线电流密度
PCB走线电流密度是由流过导电材料单位面积的电流量定义。在典型的PCB中，走线由铜制成。尽管铜具有很高的导电性，但它并不是理想的导体，因为这种材料不存在。它确实具有一定量的电阻，这可能会限制铜走线充分加热之前流过的电流量。
IPC-2221印制板设计通用标准中给出了相对于电流和铜走线宽度的温度升高计算公式。如果您不喜欢手动计算，则可以使用各种PCB跟踪电流密度计算器，以确保承载大电流的走线以所需的最小宽度布线。以下数据均为25摄氏度下的线路电流承载值。目前市面上常用铜厚为0.5盎司，它的电流密度可以达到100A/mm2。
建筑布线规范列出了不同条件下每种尺寸电力电缆的最大允许电流。工作温度30℃，长期连续90％负载下，电线允许通过的最大电流如下：
6.电流密度过高带来的问题
在电路PCB板设计中，通过电源模块给板上芯片供电。电路板设计密度越来越高，致使大电流通道设计的难度大大增加，并且IC芯片电源种类越来越多，印刷电路板中经常会碰到电流大而通道小的瓶颈；再加上由于过孔或者器件正好落在电源通道上，将会导致电源通道实际通流能力大大降低，电流密度急剧升高。而电流密度过高会带来如下几个问题：
1. 电流密度过高会因为导体的电阻效应以热的方式消耗功率，导致电源压降过大，同时温度过高会导致PCB板性能下降甚至影响到芯片的正常工作。
2. 电流密度过高，材料与材料之间的互连部分也会发生电迁移的现象。
3. 过高的电流密度产生的强磁场会使得电磁辐射EMC出现严重问题，诱发电源噪声过大导致系统不稳定。
关于智芯仿真
北京智芯仿真科技有限公司成立于2019年12月，是一家专业致力于电子设计系统后端仿真与物理验证的EDA软件企业。公司产品主要面向芯片封装、PCB板及电子系统，包括信号完整性SI、电源完整性PI、热完整性TI、多物理场的仿真以及智能诊断。我们的目标是提供EDA后端仿真与智能优化全流程解决方案。
关注公众号：lmcjl_com（长按复制）
本文来自作者:小落落，不代表懒猪博客立场！
转载请注明：https://my.lmcjl.com/207249.html
本文链接：https://my.lmcjl.com/post/14969.html
4 评论