通常电路板设计电流都不会超过10A,甚至是5A,特别在是在家用、消费级电子的电路板上持续的工作电流不会超过2A。
那么当有产品需要设计持续电流达到80A,那么在考虑到瞬时电流以及为整个系统留下余量的情况下,产品设计的动力走线持续电流应该能够承受100A以上,这样的PCB应该怎么设计呢?
方法一:电路板走线
首先要从电路板结构搞清楚电路板过流能力,下面以双层PCB为例,这种电路板通常是三层式结构:铜皮,板材,铜皮。
铜皮作为电路板中通过电流、信号的路径。
我们中学物理中有一个知识是:一个物体的电阻与材料、横截面积、长度有关。
由于电流是在铜皮上走,所以电阻率是固定的。横截面积可以看作铜皮的厚度,这就是所谓的电路板铜厚。
通常铜厚以OZ来表示,1OZ的铜厚换算过来就是35um,2OZ是70um,依此类推,得出的结论就是:在电路板上要通过大电流的话,布线就要又短又粗,同时PCB的铜厚越厚越好。
实际在工程上,对于走线的长度没有一个严格的标准。工程上通常会用:铜厚/温升/线径,这三个指标来衡量电路板的载流能力。
以下两个表可以参考:
从上表可以知1OZ铜厚的电路板,在10℃温升时,100mil(2.5mm)宽度的导线可以通过4.5A的电流。
并且,伴随着宽度的加大,电路板载流能力并不是严格按照线性加大,反而是加大幅度渐渐地减小,这也是和实际工程里的情况保持一致。
假如提高温升,导线的载流能力也可以获得提升。
通过以上两个表,能获得的电路板走线经验是:加大铜厚、加宽线径、提升电路板散热可以加强电路板的载流能力。
那假如要走100A的电流,可以选择4OZ的铜厚,走线宽度设定为15mm,双面走线,并且加大散热装置,降低电路板的温升,提升稳定性。
方法二:接线柱
除了在电路板上走线之外,还能采用接线柱的方式走线。
在电路板上或产品外壳上固定几个能够耐受100A的接线柱如:表贴螺母、电路板接线端子、铜柱等。
然后采用铜鼻子等接线端子将能承受100A的导线接到接线柱上。
如此一来大电流就可以通过导线来走。
方法三:定做铜排
甚至,还能定做铜排。
使用铜排来走大电流是工业上常见的做法,例如变压器,服务器机柜等应用都是用铜排来走大电流。
附铜排载流能力表:
方法四:特殊制作工艺
除此之外还有一些较为特殊的电路板制作工艺,国内未必能找得到制作加工的厂家。
例如英飞凌就有一种电路板,采用3层铜层设计,顶层和底层是信号布线层,中间层是厚度为1.5mm的铜层,专门用在布置电源,这种电路板能够 轻易做到小体积过流100A以上。
三个常见的PCB设计错误
1.)着陆模式
虽然大多数PCB设计软件都包含通用电气组件库,它们的相关原理图符号和着陆图案,但某些电路板将要求设计人员手动绘制它们。如果误差小于半毫米,工程师必须非常严格,以确保焊盘之间的适当间距。在此生产阶段中犯的错误将使焊接变得困难或不可能。必要的返工将导致代价高昂的延迟。
2.)使用盲孔/埋孔
在如今已习惯使用IoT的设备的市场中,越来越小的产品继续发挥最大的影响。当较小的设备需要较小的PCB时,许多工程师选择利用盲孔和掩埋过孔来减少电路板的占地面积,以连接内部和外部层。通孔虽然可以有效地缩小PCB的面积,但是却减少了布线空间,并且随着添加的数量增加,可能会变得复杂,从而使某些板变得昂贵且无法制造。
3.)走线宽度
为了使电路板尺寸小而紧凑,工程师的目标是使走线尽可能地窄。确定PCB走线宽度涉及许多变量,这使它变得很困难,因此必须全面了解将需要多少毫安的知识。在大多数情况下,最小宽度要求是不够的。我们建议使用宽度计算器来确定适当的厚度并确保设计精度。
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