電源設(shè)計(jì)中承載電流的銅寬度要求

當(dāng)我在大學(xué)學(xué)習(xí)電氣工程時(shí)，數(shù)學(xué)非常重要。我的數(shù)學(xué)教授非常勤奮，以至于他會(huì)參加其他課程，看看他需要教我們的課程是否涉及數(shù)學(xué)以使我們的生活更輕松。他不止一次改變了他的課程計(jì)劃，將其他課程的數(shù)學(xué)主題結(jié)合起來，所以我很感激他如此熱情。

當(dāng)我成為電源應(yīng)用工程師時(shí)，我很快了解到所有組件中都存在寄生效應(yīng)。當(dāng)包含這些寄生參數(shù)時(shí)，計(jì)算最佳擬合分量的公式變得越來越復(fù)雜。有時(shí)，簡(jiǎn)化的公式甚至經(jīng)驗(yàn)法則至少可以幫助我接近結(jié)果，使我能夠通過反復(fù)試驗(yàn)找到最合適的可用組件。

然而，我永遠(yuǎn)無法使用數(shù)學(xué)的一個(gè)問題是在決定最佳布局時(shí)。我仍然沒有一個(gè)非常好的仿真工具可以準(zhǔn)確預(yù)測(cè)哪種布局最適合我想要設(shè)計(jì)的特定電源。如果 IC 包含多個(gè)轉(zhuǎn)換器，例如 LCD（液晶顯示器）或 OLED（有機(jī)發(fā)光二極管）顯示電源產(chǎn)品，我的困境會(huì)變得更糟。原理圖中未顯示的布局的寄生效應(yīng)確實(shí)會(huì)影響電路的性能，甚至可能導(dǎo)致電源出現(xiàn)危險(xiǎn)故障。所以第一次正確設(shè)置layo=ut很重要。

在進(jìn)行布局時(shí)要記住的一種寄生效應(yīng)是走線或平面電阻。這是我學(xué)會(huì)的一個(gè)經(jīng)驗(yàn)法則來估計(jì)它： 數(shù)平方。

我第一次布局電源設(shè)計(jì)時(shí)就了解了這條規(guī)則。我記得當(dāng)時(shí)有點(diǎn)困惑，因?yàn)槲覠o法相信它會(huì)如此簡(jiǎn)單，但它確實(shí)如此；我什至可以用數(shù)學(xué)來告訴你這是真的。

公式 1 計(jì)算銅的電阻：

        (1)

圖 1 顯示了印刷電路板 (PCB) 頂部的一塊銅。

圖 1：電源設(shè)計(jì)中承載電流的銅片

假設(shè)電流沿l從左向右流動(dòng)，  并均勻分布在區(qū)域A 中。在這種情況下，等式 1 變?yōu)榈仁?2：

               (2)

我們現(xiàn)在可以看到，這塊銅的電阻與尺寸l無關(guān)  。所以現(xiàn)在 PCB 上的電阻公式變?yōu)楣?3：

                (3)

其中 ρ 是眾所周知的比銅電阻，PCB 的生產(chǎn)規(guī)格定義了銅的厚度。

這意味著無論l  有多大，電阻都保持不變。對(duì)于布局人員來說，知道這一點(diǎn)真的很好，因?yàn)槿绻?span>我們想讓電阻盡可能小，請(qǐng)使其盡可能寬和盡可能短。

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：線寬、線厚（銅箔厚度）、容許溫升。大家都知道，PCB走線越寬，載流能力越大。假設(shè)在同等條件下，10MIL的走線能承受1A，那么50MIL的走線能承受多大電流，是5A嗎？答案自然是否定的。請(qǐng)看以下來來自國(guó)際權(quán)威機(jī)構(gòu)提供的數(shù)據(jù)：

供的數(shù)據(jù)：

線寬的單位是：Inch（1inch=2.54cm=25.4mm）

我們可以根據(jù)要求的生產(chǎn)參數(shù)（見表 1）確定 PCB 上銅的厚度，并通過計(jì)算正方形來估計(jì)布局中特定銅片的電阻。

表 1：基于生產(chǎn)參數(shù)銅重量的銅厚度和電阻 

假設(shè)我們的電線如圖 2 所示。

圖2

將其分成正方形，如圖 3 所示。

圖 3

假設(shè)我們可以將 10 個(gè)正方形放入我們的電線中，如圖 3 所示。如果我們在 PCB 上使用 1oz 銅，則這根電線的電阻大約為 5mΩ。如果1A的電流通過這根導(dǎo)線，從一端到另一端的電壓降為5mV。假設(shè)一端的電壓為 1V，另一端的電壓要小 0.5%——而這只是一根電線。將電線的寬度加倍，電阻減半。

導(dǎo)線的電流承載值與導(dǎo)線線的過孔數(shù)量焊盤存在的直接關(guān)系（目前沒有找到焊盤和過孔孔徑每平方毫米對(duì)線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，不在說明）這里只做一下簡(jiǎn)單的一些影響到線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)線還會(huì)受到焊盤和過孔的影響，如焊盤教多的線段，在過錫后，焊盤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一些大電流板中焊盤與焊盤之間某段線路被燒毀，這個(gè)原因很簡(jiǎn)單，焊盤因?yàn)檫^錫完后因?yàn)橛性_和焊錫增強(qiáng)了其那段導(dǎo)線的電流承載值，而焊盤與焊盤之間的焊盤它的最大電流承載值也就為導(dǎo)線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，就很容易燒斷焊盤與焊盤之間那一段線路，解決方法：增加導(dǎo)線寬度，如板不能允許增加導(dǎo)線寬度，在導(dǎo)線增加一層Solder層（一般1毫米的導(dǎo)線上可以增加一條0.6左右的Solder層的導(dǎo)線，當(dāng)然你也增加一條1mm的Solder層導(dǎo)線）這樣在過錫過后，這條1mm的導(dǎo)線就可以看做一條1.5mm~2mm導(dǎo)線了。

因此，即使計(jì)算寄生電阻相對(duì)容易，但使用我的眼睛并估計(jì)適合電線的正方形數(shù)量對(duì)我來說要容易得多。