对于没参加工作的小伙伴来说,很少能接触到高功率的项目,特别是要求在PCB上过高电流的实例。
今天就和大伙聊一聊怎么设计PCB,才能满足100A的要求。
首先要知道PCB都是通过整张铜箔来实现线路流通的,常规的铜箔厚度有
1oz, 2oz, 2.5oz, 3.5oz, 4.5oz ,一般来说1oz和2oz是最为常用的。
理论上铜箔的厚度越厚,成本就越高,但载流能力就越强!
关于铜箔的厚度和载流能力之间的关系,可以看下面的表格1,或者可以去看核桃之前写的文章:
开启初学者入门PCB(三)——走线
表格1
1OZ=35um,1.5OZ=50um,2OZ=70um
从表格1中我们可以知道,即使铜箔做到2oz,要想过6A的电流,线宽也要做到2.5mm,虽然这是理论保守值,但是也要考虑温升的情况和环境温度的影响。
所以,想要PCB能过100A的电流,不可能无限制的加厚铜箔和线宽(板子空间限制),故单单从铜箔入手是远远不够的,那该怎么做?
一:PCB开窗
加厚铜箔,PCB的制板费用会直线上升,所以我们除了加大线宽外,我们还可以给PCB的整块铺铜做开窗处理,如下图所示:
开窗的好处显而易见
(1)后期可以做加锡处理,增加载流能力
(2)增加板卡的散热效果,使板子的温度能有所控制
(3)为后期贴铜片/铜条预留位置
二:通过过孔联通表层和底层铜皮
如果表层的铜皮能利用上的话,那完全可以通过过孔的方式联通表层和底层的铜皮面积,使整个载流的有效面积增加,如下两图所示:
三:在开窗区域焊接铜片或铜条
这就是PCB为什么要做开窗处理的原因,要想过100A的电流,加入SMT贴片铜条/铜片至关重要,按照载流能力比例来看的话,大部分电流都是由铜片/铜条来承担了,而PCB铜皮主要还是起到一个载体和散热的作用
实际上SMT贴片铜条/铜片可以按照铜排的方式来进行载流能力的计算
计算方法如下:
根据热损耗和牛顿散热公式来计算:
R=ρl/s,--------------公式1
P=I²*R,--------------公式2
结合公式1和公式2,可得:
P=(12*ρ*L)/S=(12*ρ*L)/(W*H),--------------公式3
其中,P为功率,ρ为电阻率,I为电流,R为电阻,L为铜排长度,铜排截面积(S=W*H)
牛顿散热公式:
P=Kt*A*τ=Kt*2*L*(W+H)*τ,----------------公式4
其中Kt表示铜排表面综合散热系数(单位W/m²K)一般取4.5,A为有限面积且A=2*L*(W+H),τ为温升(单位℃)镀锡铜排一般允许的最高温升为65℃,相应的国标文件也有表示,如GB 14048.1-2012
最后综合公式3和公式4可得:
以上就是铜排载流量相关的计算公式(适用于SMT铜片/铜条)。
在实际项目中,很少采用单根长铜条直接焊接在PCB上,一般都是采用多根短铜条来实现目标载流量,因为单根长铜条在高温加工时容易弯曲变形,直接影响焊接效果,降低整体的载流能力。
除了以上的方法,我们还可以通过国标文件进行查询,如GB 7251.1-2013
最后,在实际的项目中,我们除了利用公式来计算除理论值之外,我们应该以实际的测试结果为准,根据项目的需求来选择合适的铜排参数。
好了,这章就先写到这吧!