PCB的電流負(fù)載能力原則上取決于布線(trace)的銅泊斷面的截面積與溫升,但截面積又與線路的寬度及厚度正相關(guān),只是電流負(fù)載能力是否跟銅線截面積成正比可能就不一定了?
假設(shè)在同樣10°C溫升的條件下,一條10mils線寬的1oz走線(trace)可以承受1Amp的電流,我們應(yīng)該可以很肯定50mils線寬的走線可以承受比1Amp更大的電流,但會是倍數(shù)關(guān)系的5Amps嗎?答案似乎是否定的。這裡先參考MIL-STD-275表格,其可承受的最大電流其實只有2.6Amps而已喔。
(數(shù)據(jù)來源:MIL-STD-275 Printed Wiring for Electronic Equipment,線寬單位:Inch)
不過上述的表格已經(jīng)是好幾年以前的過時資料了,現(xiàn)在比較新的資料應(yīng)該已經(jīng)由【IPC-2221 Generic Standard on Printed Board Design】的圖表所取代,不過在瞭解銅箔的電流負(fù)載能力以前,這裡還有一個關(guān)鍵因子【銅箔的厚度(盎司,oz)】需要先來探討一下,到底銅箔的厚度是怎么計算的?
銅箔的厚度 – 盎司(ounce, oz)
一般業(yè)界慣用的銅箔厚度為《盎司(oz)》,可是《盎司》明明就是重量,怎么又變成厚度了?這是因為在銅皮的術(shù)語中,《盎司》被轉(zhuǎn)換成了厚度的單位了,越聽越糊涂了?這是因為銅皮的規(guī)格是以每平方英遲(ft2)有幾盎司(oz)來定義的,所以我們經(jīng)常說的 1oz(盎司)就是在每平方英遲(ft2)上有1oz的重量,銅皮越厚就會越重,因為銅皮的重量跟厚度成正比,所以銅皮的盎司可以等同于厚度,并可以被轉(zhuǎn)化為毫米(mm)或是毫英吋(mils)。這個其實跟我們在算紙張的時候用磅來計算有點類似,有興趣的自己去查看看吧!
這裡列出幾個大家比較常用到的尺寸,并換算成mils(毫吋)與mm(毫米)供大家參考:
0.5 盎司(oz) = 0.0007 英吋(inch) = 0.7 mils = 0.018 毫米(mm)
1.0 盎司(oz) = 0.0014 英吋(inch) = 1.4 mils = 0.035 毫米(mm)
2.0 盎司(oz) = 0.0034 英吋(inch) = 2.8 mils = 0.070 毫米(mm)
下面也試著為各位計算為何1oz的 銅箔約等于1.4mils:
銅的比重為8.9(gm/cm3),
單位換算:1(ft2)=93055 (mm2),1(mil)=2.54(um),1(oz)=28.34(gm)
1oz體積 = 28.34(gm) / 8.9(gm/cm3) = 3.1842(cm3) = 3184.2(mm3)
1oz厚度 = 3184.2(mm3) / 93055(mm2) = 0.03422(mm) = 1.35 (mils)
注:銅箔的密度會因為使用不同的銅而有不同的密度,所以計算上可能會有些小誤差。
PCB銅箔截面積與最大負(fù)載電流及溫升間的關(guān)系
依照 IPC-2221 第6.2節(jié)(Conductive Material Requirements)的說明,
電路板上的最大電流載流能力(Current Carrying Capacity)又可以被分成內(nèi)層線路與外層線路兩種,而且內(nèi)層線路的最大電流載流能力被設(shè)定為只有外層線路的一半。這里節(jié)錄 IPC-2221 的圖表6-4以說明外層線路(External conductors)與內(nèi)層線路(Internal Conductors)的銅箔截面積、溫升、與最大電流載流能力的關(guān)系。
另外,有人很聰明的將上述圖表PCB線路對電流的承載能力的關(guān)系歸納出了一個公式,這個公式可以大致上用來取代查表所得:
I = K△T0.44A0.75
K:為修正系數(shù),一般覆銅線在內(nèi)層時取0.024,在外層時取0.048。
△T:為最大溫差,表示銅箔通電后發(fā)熱高出周遭環(huán)境的溫度,單位為攝氏度(°C)
(有網(wǎng)友質(zhì)疑這個△T溫差解釋可能有問題,目前正在研究澄清中,如果有經(jīng)驗的朋友也請不吝釋教。現(xiàn)在已經(jīng)有作過修改,如果還是有不妥的地方還請指正。)
A:為覆銅線路的截面積,單位為平方毫英吋(mil2)
I:為最大電流載流能力(Current Carrying Capacity),單位為安培(Amp)
1(mil) = 25.4(um)
▲IPC-2111圖表6.4, External Conductors銅箔截面積、溫度與最大載流能力的關(guān)系。
▲IPC-2111圖表6.4, Internal Conductors銅箔截面積、溫度與最大載流能力的關(guān)系。
雖然說現(xiàn)在已經(jīng)有公式可以直接計算銅箔的最大電流負(fù)載能力,但在實際設(shè)計線路時可不會只有這么單純。因為Trace的電流負(fù)載能力不只與銅箔截面積及溫度有關(guān),其他如線路上元器件的多寡、焊盤以及通孔(vias)都有直接的關(guān)系。
在焊墊(盤)較多的線段,在過爐后有吃錫的那段線路,其電流承載能力就會大大的增加,相信很多人應(yīng)該都有看過一些大電流板中焊墊與焊墊之間某段線路被燒燬的情形,道理很簡單,這是因為焊盤上多了焊錫的原故,也就是增加了線路上可以承受電流的面積,而焊墊與焊墊之間的線路并沒有任何的改變,因此在電源剛啟動,或是電路上執(zhí)行指令變換時,就很有機會造成電流瞬間波浪(Surge)過大,這時候就很容易燒斷焊墊與焊墊之間電流承載能力較弱的線路。
解決的方法,可以增加導(dǎo)線的寬度,如果板子不能允許增加導(dǎo)線的寬度,也可以考慮在容易燒毀的線路上打開防焊綠油(solder mask),并利用SMT的制程加印錫膏(solder paste),經(jīng)過reflow以后就可以增加導(dǎo)線的厚度,也就增加了電流承載的能力。
這樣羅里吧嗦的說了一堆,最主要強調(diào)PCB的線路對電流的承載能力雖然已經(jīng)由查表或是公式計算而得,可是這些資料計算的都只是一些直線的線路,可是在PCB實際生產(chǎn)制造時還必須要考慮到線路可能會受到灰塵或是雜物的污染,致造成可能的局部線路破損,所以不論我們使用何種方式來求得可承載的最大電流與線路線寬,應(yīng)該都還要在加上個安全系數(shù)來預(yù)防可能的過載問題。 要在加上個安全系數(shù)來預(yù)防可能的過載問題。 要在加上個安全系數(shù)來預(yù)防可能的過載問題。
要在加上個安全系數(shù)來預(yù)防可能的過載問題。 要在加上個安全系數(shù)來預(yù)防可能的過載問題。 另外,有些線路在轉(zhuǎn)彎的地方也要特別注意,如果線路上有銳角出現(xiàn)就有機會造成電流傳遞不順暢的問題,這對于小電流或大線寬的線路可能沒有什么問題,但如果的線路的電流負(fù)載容許值不足時就容易出問題。這就像大車過彎時需要比較大的回轉(zhuǎn)半徑一般,太過直角的彎道可是會讓車子沖出跑道的。
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