30 A載流能力PCB設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

黨旭輝 李清蓮 廖雙

摘? 要：通過利用PCB設(shè)計(jì)載流能力相關(guān)電流與線寬關(guān)系的經(jīng)驗(yàn)公式，設(shè)計(jì)了一種基于大負(fù)載電磁繼電器切換能力的PCB。通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了設(shè)計(jì)的PCB載流能力、銅箔厚度、線寬以及溫升的合理性。結(jié)果表明在一定范圍內(nèi)，PCB銅箔厚度、銅箔寬度、銅箔溫升與其載流能力均呈正相關(guān)關(guān)系。另外發(fā)現(xiàn)在最大允許通流范圍內(nèi)，電磁繼電器表面溫度與其載流能力呈正相關(guān)關(guān)系。該研究可以用于智能型面板開關(guān)電源板的設(shè)計(jì)與制造。

關(guān)鍵詞：載流能力;銅箔厚度;銅箔寬度;溫升

中圖分類號(hào)：TM581.3? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A文章編號(hào)：2096-4706（2021）15-0060-04

Abstract： By using PCB to design the empirical formula for the relationship between current carrying capacity and line width， a PCB based on the switching capacity of large load electromagnetic relay is designed. The rationality of the designed PCB current carrying capacity， copper foil thickness， line width， and temperature rise is verified through experiments. The results show that the PCB copper foil thickness， copper foil width， copper foil temperature rise and its current carrying capacity are positively correlated within a certain range. In addition， it is found that the surface temperature of the electromagnetic relay is positively correlated with its current carrying capacity within the maximum allowable through-current range. This study can be used in the design and manufacture of intelligent panel switching power supply boards.

Keywords： current carrying capacity; copper foil thickness; copper foil width; temperature rise

0? 引? 言

當(dāng)前，在我國(guó)酒店行業(yè)，酒店客房大多采用低頻卡進(jìn)行取電，面板開關(guān)用于客房?jī)?nèi)總電源的控制（負(fù)載包含照明、空調(diào)、電視、熱水器等）;只有其探測(cè)到低頻感應(yīng)時(shí)才會(huì)通電。當(dāng)客人離開房間時(shí)，客人順手取走房卡（開門卡），節(jié)電開關(guān)會(huì)在15秒內(nèi)自動(dòng)延遲斷電，有效地達(dá)到了酒店客房節(jié)能的目的。隨著智慧酒店的逐漸發(fā)展，“安全+智慧”入住方式越來越受到人們的重視，特別是隨著智能門鎖行業(yè)的蓬勃發(fā)展，開鎖方式由原有的刷房卡逐步改變?yōu)樗⑸矸葑C、二維碼等，房卡的作用逐步變?yōu)閮H用于客房的用電、取電。

為了實(shí)現(xiàn)真正的智能化入住，本文以面板開關(guān)的電源板為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)了符合行業(yè)主流最大規(guī)格（220 V/30 A）的面板開關(guān)電源板，并預(yù)留DC12V接口作為控制接口，以供后期各種場(chǎng)景的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)中以大電流載流能力為落腳點(diǎn)，通過相關(guān)要素的合理設(shè)計(jì)、生產(chǎn)工藝的合理優(yōu)化以及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，實(shí)現(xiàn)達(dá)到符合載流能力的PCB。

1? 高負(fù)載PCB相關(guān)問題以及通流能力簡(jiǎn)介

當(dāng)前酒店、家庭等開關(guān)主要應(yīng)用場(chǎng)合主要選用86型面板開關(guān)，根據(jù)GB 16915.1-2003/IEC60669-1《家用和類似用途固定式電氣裝置的開關(guān)》相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)，按照產(chǎn)品互換性原則，選用當(dāng)前現(xiàn)有的標(biāo)準(zhǔn)背盒和暗盒作為電源板尺寸設(shè)計(jì)的參考依據(jù)，以及采取電源板留有標(biāo)準(zhǔn)接口用于具體應(yīng)用場(chǎng)景的實(shí)施。依據(jù)背盒的縱深尺寸，在保證產(chǎn)品裝配尺寸允許的前提下，繼電器選用某品牌小型大功率繼電器（最大切換電壓大于250 V，最大切換/連續(xù)電流40/30 A），電源板與繼電器安裝如圖1所示，電源PCB結(jié)構(gòu)尺寸圖如圖2所示。

2? 關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)分析與工藝優(yōu)化

2.1? 關(guān)鍵參數(shù)的計(jì)算

電源PCB基材選用FR-4材料，特別是銅箔作為導(dǎo)線通過大電流時(shí)其附著強(qiáng)度和工作溫度較高，PCB一般允許溫度為260 ℃，但由于焊錫熔點(diǎn)溫度為183 ℃，因此PCB不可超過焊錫的熔點(diǎn)[1]?？紤]到該電源板為民品級(jí)，其IC承受溫度為70 ℃，因此該銅箔溫度需控制在較低水平[2]。

按照其加工工藝及板厚尺寸要求，參考覆銅截面積與溫升和允許最大載流能力經(jīng)驗(yàn)公式、PCB板銅箔寬度及厚度與電流關(guān)系，如表1所示[3]，初步確定PCB板厚2 mm，銅箔厚度為70 um（2 oz），雙面覆銅。銅箔長(zhǎng)度、寬度如圖3所示。

根據(jù)銅箔（Track）的截面積，根據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式：

I=K T0.44A0.75

K——修正系數(shù)，一般覆銅線在內(nèi)側(cè)時(shí)取0.024，在外測(cè)時(shí)取0.048;

T——最大溫升（℃）;

A——覆銅截面積（mil2）;

I——允許最大電流（A）;

繼電器觸點(diǎn)處PCB覆銅截面積分別為（按照2 oz，覆銅厚度70 um，即2.7 mil計(jì)算）：

I1=K T0.44A0.75=0.024×（10）0.44×（433×2.7）0.75=13.2（A）

I2=K T0.44A0.75=0.024×（10）0.44×（512×2.7）0.75=15.0（A）

雙層板（雙側(cè)覆銅）：I11=26.4（A），I12=30（A）

在PCB板尺寸有限的情況下，當(dāng)前銅箔I11載流理論值暫未達(dá)到30 A，銅箔I12剛達(dá)到載流理論值，為了保證PCB的高可靠性，下文對(duì)加工工藝進(jìn)行優(yōu)化。

2.2? 加工工藝的優(yōu)化

由于PCB尺寸限制不允許增加導(dǎo)線寬度，為了保證其30 A載流能力，考慮在無(wú)元器件分布的背面線路上打開防焊綠油，并利用SMT的制程加印錫膏，通過加錫來增加導(dǎo)線的厚度，如圖4所示，以增加其電流承載的能力[4]。

在打開防焊綠油利用加錫來增加導(dǎo)線厚度的同時(shí)，為了增強(qiáng)底層銅箔與頂層銅箔的互通能力，在頂層和底層之間開金屬化孔，用化學(xué)反應(yīng)將一層銅渡在孔的內(nèi)壁上[5]，如圖5所示。

3? 載流能力實(shí)驗(yàn)

按照以上設(shè)計(jì)方法，生產(chǎn)加工出電源PCB樣品，接通電源板（V+、V-分別與繼電器兩個(gè)線包相連，使繼電器處于閉合狀態(tài)，PCB通電處于工作狀態(tài)）進(jìn)行負(fù)載試驗(yàn)，負(fù)載試驗(yàn)包含沖擊試驗(yàn)和耐久試驗(yàn)。測(cè)試環(huán)境為：市電約225 V，初始環(huán)境溫度為27 ℃左右（由于負(fù)載為水泥電阻，其發(fā)熱量較大，在一定程度上會(huì)引起環(huán)境溫度的上升）。

實(shí)驗(yàn)平臺(tái)搭建主要包含兩部分內(nèi)容，即配電箱的搭建和負(fù)載（水泥電阻）的安裝走線，如圖6所示。為了避免大電流形成溫升，同時(shí)為了各路負(fù)載控制的便捷性，在火線從強(qiáng)電板輸出端進(jìn)入端子排之后，在端子輸出端接5根火線用于每個(gè)負(fù)載。為了提高通風(fēng)性，負(fù)載（水泥電阻）在安裝過程中保持一定的間距（至少20 cm），其效果圖如圖7所示。

3.1? 90%負(fù)載耐久實(shí)驗(yàn)

90%負(fù)載耐久實(shí)驗(yàn)主要是工作電流在27 A條件下，連續(xù)測(cè)試3 h，觀察記錄室溫、PCB板銅箔外表面溫度、繼電器溫度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖8所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PCB正常工作，繼電器溫升最大達(dá)到18 ℃，銅箔外側(cè)表面溫升最大達(dá)到3.6 ℃。

3.2? 105%負(fù)載沖擊實(shí)驗(yàn)

完成90%負(fù)載耐久性實(shí)驗(yàn)后直接進(jìn)入105%負(fù)載沖擊實(shí)驗(yàn)，工作電流31.5 A，5 min重啟一次，3次為一組，連續(xù)測(cè)試5組，觀察記錄室溫、PCB板銅箔外表面溫度、繼電器溫度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PCB正常工作，繼電器溫升最大達(dá)到20.5 ℃，銅箔外側(cè)表面溫升最大達(dá)到3.5 ℃。

3.3? 105%負(fù)載耐久實(shí)驗(yàn)

105%負(fù)載沖擊試驗(yàn)后立即進(jìn)入該負(fù)載耐久試驗(yàn)，工作電流31.5 A，持續(xù)時(shí)間為7 h，25 min記錄一次實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，觀察記錄室溫、PCB板銅箔外表面溫度、繼電器溫度值，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖10所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PCB正常工作，繼電器溫升最大達(dá)到23.5 ℃，銅箔外側(cè)表面溫升最大達(dá)到7.6 ℃。

3.4? 極限測(cè)試

3.4.1? 120%負(fù)載實(shí)驗(yàn)

105%耐久實(shí)驗(yàn)結(jié)束后直接接入120%負(fù)載實(shí)驗(yàn)，工作電流36 A，持續(xù)時(shí)間2 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖11所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PCB正常工作，繼電器溫升最大達(dá)到24.8 ℃，銅箔外側(cè)表面溫升最大達(dá)到11.2 ℃。

3.4.2? 133%負(fù)載實(shí)驗(yàn)

120%耐久實(shí)驗(yàn)結(jié)束后直接接入133%負(fù)載實(shí)驗(yàn)，工作電流40 A，持續(xù)時(shí)間1 min，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖12所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：PCB正常工作，繼電器溫升最大達(dá)到22.5 ℃，銅箔外側(cè)表面溫升最大達(dá)到9.3 ℃。

4? 結(jié)? 論

本文設(shè)計(jì)并實(shí)驗(yàn)研究了一種基于86型面板開關(guān)的30 A載流能力的PCB電源板。在行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)限定的尺寸范圍內(nèi)采用設(shè)計(jì)優(yōu)化和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證的方式，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用雙層覆銅（銅箔2 oz）的2 mm PCB板、在銅箔橫截面最大化的前提下，可采用對(duì)PCB打開防焊綠油進(jìn)行回流焊、開金屬化孔等方式保證其載流能力，同時(shí)實(shí)驗(yàn)證明了在允許最大載流前提下，PCB銅箔厚度、銅箔寬度、銅箔溫升與其載流能力均呈正相關(guān)關(guān)系。

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作者簡(jiǎn)介：黨旭輝（1988—），男，漢族，陜西寶雞人，工程師，碩士研究生，研究方向：項(xiàng)目管理。

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