隨著時代高速發(fā)展,一些高功率和高電流應用如:電動車、工業(yè)設備和電源系統(tǒng)等,逐漸興起,這些設備的PCB板需要承受高達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?
一般來說,PCB板要想承受高達100A以上的大電流,為確保電路板的穩(wěn)定性和可靠性,需要進行專門的設計和優(yōu)化,不可按照以往經(jīng)驗來設計,否則容易損壞故障。
通常的PCB設計電流都不會超過10A,甚至5A。尤其是在家用、消費級電子中,通常PCB上持續(xù)的工作電流不會超過2A。但是最近要給公司的產(chǎn)品設計動力走線,持續(xù)電流能達到80A左右,考慮瞬時電流以及為整個系統(tǒng)留下余量,動力走線的持續(xù)電流應該能夠承受100A以上。
通常的PCB設計電流都不會超過10A,尤其是在家用、消費級電子中,通常PCB上持續(xù)的工作電流不會超過2A。
但有的產(chǎn)品設計動力走線,持續(xù)電流能能達到80A左右,考慮瞬時電流以及為整個系統(tǒng)留下余量,動力走線的持續(xù)電流應該能夠承受100A以上。
那么問題就來了,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的過流能力,我們首先從PCB結構下手。以雙層PCB為例,這種電路板通常是三層式結構:銅皮、板材、銅皮。銅皮也就是PCB中電流、信號要通過的路徑。
根據(jù)中學物理知識可以知道一個物體的電阻與材料、橫截面積、長度有關。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加工選項中的銅厚。
通常銅厚以OZ來表示,1 OZ的銅厚換算過來就是35 um,2 OZ是70 um,依此類推。那么可以很輕易地得出結論:在PCB上要通過大電流時,布線就要又短又粗,同時PCB的銅厚越厚越好。
實際在工程上,對于布線的長度沒有一個嚴格的標準。工程上通常會用:銅厚/溫升/線徑,這三個指標來衡量PCB板的載流能力。
那么問題就來了,怎么樣的PCB才能承受住100 A的電流?
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方法一:PCB上走線要弄清楚PCB的過流能力,我們首先從PCB結構下手。以雙層PCB為例,這種電路板通常是三層式結構:銅皮、板材、銅皮。銅皮也就是PCB中電流、信號要通過的路徑。根據(jù)中學物理知識可以知道一個物體的電阻與材料、橫截面積、長度有關。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加工選項中的銅厚。通常銅厚以OZ來表示,1OZ的銅厚換算過來就是35 um,2OZ是70um,依此類推。那么可以很輕易地得出結論:在PCB上要通過大電流時,布線就要又短又粗,同時PCB的銅厚越厚越好。
實際在工程上,對于布線的長度沒有一個嚴格的標準。工程上通常會用:銅厚/溫升/線徑,這三個指標來衡量PCB板的載流能力。
以下兩個表可以參考:從表中可以大約知道1OZ銅厚的電路板,在10℃溫升時,100mil (2.5mm) 寬度的導線能夠通過4.5A的電流。并且隨著寬度的增加,PCB載流能力并不是嚴格按照線性增加,而是增加幅度慢慢減小,這也是和實際工程里的情況一致。如果提高溫升,導線的載流能力也能夠得到提高。
通過這兩個表,能得到的PCB布線經(jīng)驗是:增加銅厚、加寬線徑、提高PCB散熱能夠增強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。
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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的導線接到接線柱上。這樣大電流就可以通過導線來走。
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方法三:定做銅排甚至,還可以定做銅排。使用銅排來走大電流是工業(yè)上常見的做法,例如變壓器,服務器機柜等應用都是用銅排來走大電流。
附銅排載流能力表:
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方法四:特殊工藝另外還有一些比較特殊的PCB工藝,國內不一定能找得到加工的廠家。英飛凌就有一種PCB,采用3層銅層設計,頂層和底層是信號布線層,中間層是厚度為1.5mm的銅層,專門用于布置電源,這種PCB可以輕易做到小體積過流100A以上。
一般來說,普通的PCB板所設置的電流基本上都不會超過10A,甚至5A,足以應付家用、消費電子等的需求,但特殊產(chǎn)品往往會要求PCB承受大電流,那么如何設計PCB板使其承受?一起來看看吧!
首先在考慮走線前,PCB板需要考慮其他因素,如材料選用、層疊結構和熱設計等,具體如下:
為了承受大電流,PCB板應使用具有高導電性能的材料,如銅,高純度的電解銅是首選;其次是考慮多層板結構,可以提供更多的走線和散熱路徑,內層的銅箔厚度和層間絕緣材料也是關鍵;最后是有效的熱設計,適當選擇散熱路徑,增加散熱孔,使用導熱性能良好的絕緣材料等。
最后,針對100A大電流需求,PCB板的走線應遵循以下原則:
1、走線寬度
根據(jù)PCB板的銅箔厚度和電流需求,選擇適當?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載,走線間距應保持在0.5mm以上。若是在關鍵區(qū)域,如電源和接地線,應加大間距;
3、層間布線
在多層板中,應優(yōu)化層間布線降低電阻和熱過載的風險,可使用專門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,有助于提高信號質量;
5、電磁干擾
為減少電磁干擾,可使用去耦電容和磁珠,此外也要避免長距離的平行走線,降低電磁干擾的可能性;
6、冗余與備份
在關鍵路徑上,可適當增加額外的走線作為備份,以此提高其的可靠性和穩(wěn)定性。