PCB設(shè)計(jì)中銅皮如何才能承受住100 A電流

時(shí)間：2024-07-21 22:45:18

關(guān)鍵字： PCB 電動(dòng)車(chē) 工業(yè)設(shè)備

手機(jī)看文章

掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章

[導(dǎo)讀]電動(dòng)車(chē)、工業(yè)設(shè)備和電源系統(tǒng)等，逐漸興起，這些設(shè)備的PCB板需要承受高達(dá)100A以上的大電流，那么如何促使PCB板承受如此高的電流電壓?

隨著時(shí)代高速發(fā)展，一些高功率和高電流應(yīng)用如：電動(dòng)車(chē)、工業(yè)設(shè)備和電源系統(tǒng)等，逐漸興起，這些設(shè)備的PCB板需要承受高達(dá)100A以上的大電流，那么如何促使PCB板承受如此高的電流電壓?

一般來(lái)說(shuō)，PCB板要想承受高達(dá)100A以上的大電流，為確保電路板的穩(wěn)定性和可靠性，需要進(jìn)行專(zhuān)門(mén)的設(shè)計(jì)和優(yōu)化，不可按照以往經(jīng)驗(yàn)來(lái)設(shè)計(jì)，否則容易損壞故障。

通常的PCB設(shè)計(jì)電流都不會(huì)超過(guò)10A，甚至5A。尤其是在家用、消費(fèi)級(jí)電子中，通常PCB上持續(xù)的工作電流不會(huì)超過(guò)2A。但是最近要給公司的產(chǎn)品設(shè)計(jì)動(dòng)力走線，持續(xù)電流能達(dá)到80A左右，考慮瞬時(shí)電流以及為整個(gè)系統(tǒng)留下余量，動(dòng)力走線的持續(xù)電流應(yīng)該能夠承受100A以上。

通常的PCB設(shè)計(jì)電流都不會(huì)超過(guò)10A，尤其是在家用、消費(fèi)級(jí)電子中，通常PCB上持續(xù)的工作電流不會(huì)超過(guò)2A。

但有的產(chǎn)品設(shè)計(jì)動(dòng)力走線，持續(xù)電流能能達(dá)到80A左右，考慮瞬時(shí)電流以及為整個(gè)系統(tǒng)留下余量，動(dòng)力走線的持續(xù)電流應(yīng)該能夠承受100A以上。

那么問(wèn)題就來(lái)了，怎么樣的PCB才能承受住100A的電流?

方法一：PCB上走線

要弄清楚PCB的過(guò)流能力，我們首先從PCB結(jié)構(gòu)下手。以雙層PCB為例，這種電路板通常是三層式結(jié)構(gòu)：銅皮、板材、銅皮。銅皮也就是PCB中電流、信號(hào)要通過(guò)的路徑。

根據(jù)中學(xué)物理知識(shí)可以知道一個(gè)物體的電阻與材料、橫截面積、長(zhǎng)度有關(guān)。由于我們的電流是在銅皮上走，所以電阻率是固定的。橫截面積可以看作銅皮的厚度，也就是PCB加工選項(xiàng)中的銅厚。

通常銅厚以O(shè)Z來(lái)表示，1 OZ的銅厚換算過(guò)來(lái)就是35 um，2 OZ是70 um，依此類(lèi)推。那么可以很輕易地得出結(jié)論：在PCB上要通過(guò)大電流時(shí)，布線就要又短又粗，同時(shí)PCB的銅厚越厚越好。

實(shí)際在工程上，對(duì)于布線的長(zhǎng)度沒(méi)有一個(gè)嚴(yán)格的標(biāo)準(zhǔn)。工程上通常會(huì)用：銅厚/溫升/線徑，這三個(gè)指標(biāo)來(lái)衡量PCB板的載流能力。

那么問(wèn)題就來(lái)了，怎么樣的PCB才能承受住100 A的電流?

方法一：PCB上走線要弄清楚PCB的過(guò)流能力，我們首先從PCB結(jié)構(gòu)下手。以雙層PCB為例，這種電路板通常是三層式結(jié)構(gòu)：銅皮、板材、銅皮。銅皮也就是PCB中電流、信號(hào)要通過(guò)的路徑。根據(jù)中學(xué)物理知識(shí)可以知道一個(gè)物體的電阻與材料、橫截面積、長(zhǎng)度有關(guān)。由于我們的電流是在銅皮上走，所以電阻率是固定的。橫截面積可以看作銅皮的厚度，也就是PCB加工選項(xiàng)中的銅厚。通常銅厚以O(shè)Z來(lái)表示，1OZ的銅厚換算過(guò)來(lái)就是35 um，2OZ是70um，依此類(lèi)推。那么可以很輕易地得出結(jié)論：在PCB上要通過(guò)大電流時(shí)，布線就要又短又粗，同時(shí)PCB的銅厚越厚越好。

以下兩個(gè)表可以參考：從表中可以大約知道1OZ銅厚的電路板，在10℃溫升時(shí)，100mil (2.5mm) 寬度的導(dǎo)線能夠通過(guò)4.5A的電流。并且隨著寬度的增加，PCB載流能力并不是嚴(yán)格按照線性增加，而是增加幅度慢慢減小，這也是和實(shí)際工程里的情況一致。如果提高溫升，導(dǎo)線的載流能力也能夠得到提高。

通過(guò)這兩個(gè)表，能得到的PCB布線經(jīng)驗(yàn)是：增加銅厚、加寬線徑、提高PCB散熱能夠增強(qiáng)PCB的載流能力。那么如果要走100A的電流，可以選擇4OZ的銅厚，走線寬度設(shè)置為15mm，雙面走線，并且增加散熱裝置，降低PCB的溫升，提高穩(wěn)定性。

方法二：接線柱除了在PCB上走線之外，還可以采用接線柱的方式走線。

在PCB上或產(chǎn)品外殼上固定幾個(gè)能夠耐受100A的接線柱如：表貼螺母、PCB接線端子、銅柱等。然后采用銅鼻子等接線端子將能承受100A的導(dǎo)線接到接線柱上。這樣大電流就可以通過(guò)導(dǎo)線來(lái)走。

方法三：定做銅排甚至，還可以定做銅排。使用銅排來(lái)走大電流是工業(yè)上常見(jiàn)的做法，例如變壓器，服務(wù)器機(jī)柜等應(yīng)用都是用銅排來(lái)走大電流。

附銅排載流能力表：

方法四：特殊工藝另外還有一些比較特殊的PCB工藝，國(guó)內(nèi)不一定能找得到加工的廠家。英飛凌就有一種PCB，采用3層銅層設(shè)計(jì)，頂層和底層是信號(hào)布線層，中間層是厚度為1.5mm的銅層，專(zhuān)門(mén)用于布置電源，這種PCB可以輕易做到小體積過(guò)流100A以上。

一般來(lái)說(shuō)，普通的PCB板所設(shè)置的電流基本上都不會(huì)超過(guò)10A，甚至5A，足以應(yīng)付家用、消費(fèi)電子等的需求，但特殊產(chǎn)品往往會(huì)要求PCB承受大電流，那么如何設(shè)計(jì)PCB板使其承受?一起來(lái)看看吧!

首先在考慮走線前，PCB板需要考慮其他因素，如材料選用、層疊結(jié)構(gòu)和熱設(shè)計(jì)等，具體如下：

為了承受大電流，PCB板應(yīng)使用具有高導(dǎo)電性能的材料，如銅，高純度的電解銅是首選;其次是考慮多層板結(jié)構(gòu)，可以提供更多的走線和散熱路徑，內(nèi)層的銅箔厚度和層間絕緣材料也是關(guān)鍵;最后是有效的熱設(shè)計(jì)，適當(dāng)選擇散熱路徑，增加散熱孔，使用導(dǎo)熱性能良好的絕緣材料等。

最后，針對(duì)100A大電流需求，PCB板的走線應(yīng)遵循以下原則：

1、走線寬度

根據(jù)PCB板的銅箔厚度和電流需求，選擇適當(dāng)?shù)木€寬，一般是在2mm以上即可;

2、走線間距

為防止電氣短路和熱過(guò)載，走線間距應(yīng)保持在0.5mm以上。若是在關(guān)鍵區(qū)域，如電源和接地線，應(yīng)加大間距;

3、層間布線

在多層板中，應(yīng)優(yōu)化層間布線降低電阻和熱過(guò)載的風(fēng)險(xiǎn)，可使用專(zhuān)門(mén)的電源和接地層提高電流傳輸效率;

4、直角走線

直角走線可減少線路之間的寄生電容和電感，有助于提高信號(hào)質(zhì)量;

5、電磁干擾

為減少電磁干擾，可使用去耦電容和磁珠，此外也要避免長(zhǎng)距離的平行走線，降低電磁干擾的可能性;

6、冗余與備份