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(lái)，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(lái)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(guò)反復(fù)試驗(yàn)找到最合適的可用組件。

然而，我永遠(yuǎn)無(wú)法使用數(shù)學(xué)的一個(gè)問(wèn)題是在決定最佳布局時(shí)。我仍然沒(méi)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(lái)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(wú)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(lái)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(wú)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(wú)論l  有多大，電阻都保持不變。對(duì)于布局人員來(lái)說(shuō)，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(lái)來(lái)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(jiàn)表 1）確定 PCB 上銅的厚度，并通過(guò)計(jì)算正方形來(lái)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(guò)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(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(pán)和過(guò)孔的影響，如焊盤(pán)教多的線段，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(guò)錫過(guò)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(lái)說(shuō)要容易得多。