一、PCB電流與線(xiàn)寬
PCB載流能力的計(jì)算一直缺乏權(quán)威的技術(shù)方法、公式,經(jīng)驗(yàn)豐富CAD工程師依靠個(gè)人經(jīng)驗(yàn)?zāi)茏鞒鲚^準(zhǔn)確的判斷。但是對(duì)于CAD新手,不可謂遇上一道難題。
PCB的載流能力取決與以下因素:線(xiàn)寬、線(xiàn)厚(銅箔厚度)、容許溫升。大家都知道,PCB走線(xiàn)越寬,載流能力越大。假設(shè)在同等條件下,10MIL的走線(xiàn)能承受1A,那么50MIL的走線(xiàn)能承受多大電流,是5A嗎?答案自然是否定的。請(qǐng)看以下來(lái)來(lái)自國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù):
線(xiàn)寬的單位是:Inch(1inch=2.54cm=25.4mm)
表1
在了解PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線(xiàn)寬和電流關(guān)系之前先讓我們了解一下PCB 敷銅厚度的單位盎司、英寸和毫米之間的換算:"在很多數(shù)據(jù)表中,PCB 的敷銅厚度常常用盎司做單位,它與英寸和毫米的轉(zhuǎn)換關(guān)系如下:
1 盎司 = 0.0014 英寸 = 0.0356 毫米(mm)
2 盎司 = 0.0028 英寸 = 0.0712 毫米(mm)
盎司是重量單位,之所以可以轉(zhuǎn)化為毫米是因?yàn)閜cb的敷銅厚度是盎司/平方英寸"
表2:PCB設(shè)計(jì)銅鉑厚度、線(xiàn)寬和電流關(guān)系表
也可以使用經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算:0.15×線(xiàn)寬(W)=A
以上數(shù)據(jù)均為溫度在25℃下的線(xiàn)路電流承載值.
導(dǎo)線(xiàn)阻抗:0.0005×L/W(線(xiàn)長(zhǎng)/線(xiàn)寬)
另外,導(dǎo)線(xiàn)的電流承載值與導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)的過(guò)孔數(shù)量焊盤(pán)的關(guān)系
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導(dǎo)線(xiàn)的電流承載值與導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)的過(guò)孔數(shù)量焊盤(pán)存在的直接關(guān)系(目前沒(méi)有找到焊盤(pán)和過(guò)孔孔徑每平方毫米對(duì)線(xiàn)路的承載值影響的計(jì)算公式,有心的朋友可以自己去找一下,個(gè)人也不是太清楚,不在說(shuō)明)這里只做一下簡(jiǎn)單的一些影響到線(xiàn)路電流承載值的主要因素。
1、在表格數(shù)據(jù)中所列出的承載值是在常溫25度下的最大能夠承受的電流承載值,因此在實(shí)際設(shè)計(jì)中還要考慮各種環(huán)境、制造工藝、板材工藝、板材質(zhì)量等等各種因素。所以表格提供只是做為一種參考值。
2、在實(shí)際設(shè)計(jì)中,每條導(dǎo)線(xiàn)還會(huì)受到焊盤(pán)和過(guò)孔的影響,如焊盤(pán)教多的線(xiàn)段,在過(guò)錫后,焊盤(pán)那段它的電流承載值就會(huì)大大增加了,可能很多人都有看過(guò)一些大電流板中焊盤(pán)與焊盤(pán)之間某段線(xiàn)路被燒毀,這個(gè)原因很簡(jiǎn)單,焊盤(pán)因?yàn)檫^(guò)錫完后因?yàn)橛性_和焊錫增強(qiáng)了其那段導(dǎo)線(xiàn)的電流承載值,而焊盤(pán)與焊盤(pán)之間的焊盤(pán)它的最大電流承載值也就為導(dǎo)線(xiàn)寬度允許最大的電流承載值。因此在電路瞬間波動(dòng)的時(shí)候,就很容易燒斷焊盤(pán)與焊盤(pán)之間那一段線(xiàn)路,解決方法:增加導(dǎo)線(xiàn)寬度,如板不能允許增加導(dǎo)線(xiàn)寬度,在導(dǎo)線(xiàn)增加一層Solder層(一般1毫米的導(dǎo)線(xiàn)上可以增加一條0.6左右的Solder層的導(dǎo)線(xiàn),當(dāng)然你也增加一條1mm的Solder層導(dǎo)線(xiàn))這樣在過(guò)錫過(guò)后,這條1mm的導(dǎo)線(xiàn)就可以看做一條1.5mm~2mm導(dǎo)線(xiàn)了(視導(dǎo)線(xiàn)過(guò)錫時(shí)錫的均勻度和錫量),如下圖:
圖1
3、圖中焊盤(pán)周?chē)幚矸椒ㄍ瑯邮窃黾訉?dǎo)線(xiàn)與焊盤(pán)電流承載能力均勻度,這個(gè)特別在大電流粗引腳的板中(引腳大于1.2以上,焊盤(pán)在3以上的)這樣處理是十分重要的。因?yàn)槿绻副P(pán)在3mm以上管腳又在1.2以上,它在過(guò)錫后,這一點(diǎn)焊盤(pán)的電流就會(huì)增加好幾十倍,如果在大電流瞬間發(fā)生很大波動(dòng)時(shí),這整條線(xiàn)路電流承載能力就會(huì)十分的不均勻(特別焊盤(pán)多的時(shí)候),仍然很容易造成焊盤(pán)與焊盤(pán)之間的線(xiàn)路燒斷的可能性。圖中那樣處理可以有效分散單個(gè)焊盤(pán)與周邊線(xiàn)路電流承載值的均勻度。
最后再次說(shuō)明:電流承載值數(shù)據(jù)表只是一個(gè)絕對(duì)參考數(shù)值,在不做大電流設(shè)計(jì)時(shí),按表中所提供的數(shù)據(jù)再增加10%量就絕對(duì)可以滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。而在一般單面板設(shè)計(jì)中,以銅厚35um,基本可以于1比1的比例進(jìn)行設(shè)計(jì),也就是1A的電流可以以1mm的導(dǎo)線(xiàn)來(lái)設(shè)計(jì),也就能夠滿(mǎn)足要求了(以溫度105度計(jì)算)。
三、PCB設(shè)計(jì)時(shí)銅箔厚度,走線(xiàn)寬度和電流的關(guān)系
信號(hào)的電流強(qiáng)度。當(dāng)信號(hào)的平均電流較大時(shí),應(yīng)考慮布線(xiàn)寬度所能承載的的電流,線(xiàn)寬可參考以下數(shù)據(jù):
PCB設(shè)計(jì)時(shí)銅箔厚度,走線(xiàn)寬度和電流的關(guān)系
不同厚度,不同寬度的銅箔的載流量見(jiàn)下表:
表3
i. 用銅皮作導(dǎo)線(xiàn)通過(guò)大電流時(shí),銅箔寬度的載流量應(yīng)參考表中的數(shù)值降額50%去選擇考慮。
ii. 在PCB設(shè)計(jì)加工中,常用OZ(盎司)作為銅皮厚度的單位,1 OZ銅厚的定義為1 平方英尺面積內(nèi)銅箔的重量為一盎,對(duì)應(yīng)的物理厚度為35um;2OZ銅厚為70um。
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四、如何確定大電流導(dǎo)線(xiàn)線(xiàn)寬
(b)導(dǎo)線(xiàn)厚度35μm
(c)導(dǎo)線(xiàn)厚度70μm
五 利用PCB的溫度阻抗計(jì)算軟件計(jì)算(計(jì)算線(xiàn)寬,電流,阻抗等)PCBTEMP
依次填入Location (External/Internal)導(dǎo)線(xiàn)在表面還是在FR-4板內(nèi)部、Temp 溫度(Degree C)、Width線(xiàn)寬(Mil)、Thickness厚度(Oz/Mil),再點(diǎn)Solve即可求出通過(guò)的電流,也可以知道通過(guò)的電流,求線(xiàn)寬。非常方便。
圖2
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六 經(jīng)驗(yàn)公式
I=KT0.44A0.75
(K為修正系數(shù),一般覆銅線(xiàn)在內(nèi)層時(shí)取0.024,在外層時(shí)取0.048;
T為最大溫升,單位為攝氏度(銅的熔點(diǎn)是1060℃)
A為覆銅截面積,單位為平方MIL(不是毫米mm,注意是square mil.)
I為容許的最大電流,單位為安培(amp)
一般 10mil=0.010inch=0.254可為 1A,250MIL=6.35mm, 為 8.3A
七、某網(wǎng)友提供的計(jì)算方法如下
先計(jì)算track的截面積,大部分pcb的銅箔厚度為35um(不確定的話(huà)可以問(wèn)pcb廠(chǎng)家)它乘上線(xiàn)寬就是截面積,注意換算成平方毫米。 有一個(gè)電流密度經(jīng)驗(yàn)值,為15~25安培/平方毫米。把它稱(chēng)上截面積就得到通流容量。
八、關(guān)于線(xiàn)寬與過(guò)孔鋪銅的一點(diǎn)經(jīng)驗(yàn)
我們?cè)诋?huà)PCB時(shí)一般都有一個(gè)常識(shí),即走大電流的地方用粗線(xiàn)(比如50mil,甚至以上),小電流的信號(hào)可以用細(xì)線(xiàn)(比如10mil)。對(duì)于某些機(jī)電控制系統(tǒng)來(lái)說(shuō),有時(shí)候走線(xiàn)里流過(guò)的瞬間電流能夠達(dá)到100A以上,這樣的話(huà)比較細(xì)的線(xiàn)就肯定會(huì)出問(wèn)題。
一個(gè)基本的經(jīng)驗(yàn)值是:10A/平方mm,即橫截面積為1平方毫米的走線(xiàn)能安全通過(guò)的電流值為10A。如果線(xiàn)寬太細(xì)的話(huà),在大電流通過(guò)時(shí)走線(xiàn)就會(huì)燒毀。當(dāng)然電流燒毀走線(xiàn)也要遵循能量公式:Q=I*I*t,比如對(duì)于一個(gè)有10A電流的走線(xiàn)來(lái)說(shuō),突然出現(xiàn)一個(gè)100A的電流毛刺,持續(xù)時(shí)間為us級(jí),那么30mil的導(dǎo)線(xiàn)是肯定能夠承受住的。(這時(shí)又會(huì)出現(xiàn)另外一個(gè)問(wèn)題??導(dǎo)線(xiàn)的雜散電感,這個(gè)毛刺將會(huì)在這個(gè)電感的作用下產(chǎn)生很強(qiáng)的反向電動(dòng)勢(shì),從而有可能損壞其他器件。越細(xì)越長(zhǎng)的導(dǎo)線(xiàn)雜散電感越大,所以實(shí)際中還要綜合導(dǎo)線(xiàn)的長(zhǎng)度進(jìn)行考慮)
一般的PCB繪制軟件對(duì)器件引腳的過(guò)孔焊盤(pán)鋪銅時(shí)往往有幾種選項(xiàng):直角輻條,45度角輻條,直鋪。他們有何區(qū)別呢?新手往往不太在意,隨便選一種,美觀(guān)就行了。其實(shí)不然。主要有兩點(diǎn)考慮:一是要考慮不能散熱太快,二是要考慮過(guò)電流能力。
使用直鋪的方式特點(diǎn)是焊盤(pán)的過(guò)電流能力很強(qiáng),對(duì)于大功率回路上的器件引腳一定要使用這種方式。同時(shí)它的導(dǎo)熱性能也很強(qiáng),雖然工作起來(lái)對(duì)器件散熱有好處,但是這對(duì)于電路板焊接人員卻是個(gè)難題,因?yàn)楹副P(pán)散熱太快不容易掛錫,常常需要使用更大瓦數(shù)的烙鐵和更高的焊接溫度,降低了生產(chǎn)效率。使用直角輻條和45角輻條會(huì)減少引腳與銅箔的接觸面積,散熱慢,焊起來(lái)也就容易多了。所以選擇過(guò)孔焊盤(pán)鋪銅的連接方式要根據(jù)應(yīng)用場(chǎng)合,綜合過(guò)電流能力和散熱能力一起考慮,小功率的信號(hào)線(xiàn)就不要使用直鋪了,而對(duì)于通過(guò)大電流的焊盤(pán)則一定要直鋪。至于直角還是45度角就看美觀(guān)了。
為什么提起這個(gè)來(lái)了呢?因?yàn)榍耙魂囈恢痹谘芯恳豢铍姍C(jī)驅(qū)動(dòng)器,這個(gè)驅(qū)動(dòng)器中H橋的器件老是燒毀,四五年了都找不到原因。在一番辛苦之后終于發(fā)現(xiàn):原來(lái)是功率回路中一處器件的焊盤(pán)在鋪銅時(shí)使用了直角輻條的鋪銅方式(而且由于鋪銅畫(huà)的不好,實(shí)際只出現(xiàn)了兩個(gè)輻條)。這使得整個(gè)功率回路的過(guò)電流能力大打折扣。雖然產(chǎn)品在正常使用過(guò)程沒(méi)有任何問(wèn)題,工作在10A電流的情況下完全正常。但是,當(dāng)H橋出現(xiàn)短路時(shí),該回路上會(huì)出現(xiàn)100A左右的電流,這兩根輻條瞬時(shí)就燒斷了(uS級(jí))。然后呢,功率回路變成了斷路,儲(chǔ)藏在電機(jī)上的能量沒(méi)有瀉放通道就通過(guò)一切可能的途徑散發(fā)出去,這股能量會(huì)燒毀測(cè)流電阻及相關(guān)的運(yùn)放器件,擊毀橋路控制芯片,并竄入數(shù)字電路部分的信號(hào)與電源中,造成整個(gè)設(shè)備的嚴(yán)重?fù)p毀。整個(gè)過(guò)程就像用一根頭發(fā)絲引爆了一個(gè)大地雷一樣驚心動(dòng)魄。
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