将 PCB 走线的温升限制在 5/10/20°C 的常识背后的原因是什么?

电器工程 电路板 pcb设计 温度 热的
2022-01-14 03:32:30

在决定在 PCB 上承载一定量电流所需的走线厚度时,答案取决于您愿意接受多少温升。这导致设计人员陷入了试图确定多少温升是合理的困难境地。常见的经验法则是允许不超过 5°C、10°C 或 20°C 的温升,具体取决于您想要的保守程度。与功率晶体管、IC、功率电阻器或其他散热组件的最大温升(可能为 60+°C)相比,这些数字似乎非常小。这些数字背后的原因是什么?

我想到的可能原因:

  • PCB材料的最高温度。对于大多数 FR4 型材料,该温度约为 130°C。即使考虑到 65°C 的非常保守的环境温度(机箱内部),这仍将允许另一个 65°C 的温度上升。
  • 允许组件的温度进一步升高。例如,如果 SMT MOSFET 将看到 80°C 的温升,由于周围 PCB 的温度,您不希望在高于环境 40°C 的温度下启动它。然而,这似乎过于针对具体情况,无法作为经验法则。例如,在散热通孔 MOSFET 的情况下,沿引线向上流动的热量只是通过散热器流出的热量的一小部分,因此 PCB 温度不应成为主要问题。即使使用 SMT 零件,我也可以有一条很细的走线,在它的大部分长度上消散大量热量,然后在它到达组件之前加宽该走线。
  • PCB材料的热膨胀。随着 PCB 升温,材料会膨胀。如果 PCB 的不同部分暴露在不同的热量下,这可能会导致电路板弯曲,从而导致焊点破裂。然而,由于安装在 PCB 上的组件的功耗,PCB 经常暴露在比这更高的温差下,这似乎不是答案。
  • 过时的标准。或许 5/10/20°C 的限制是几年前就已经想到的,并且不再适用于现代 PCB 材料,但每个人都在不假思索地继续遵循它们。例如,也许旧的酚醛板材料的耐热性不如现代玻璃纤维。

换一种说法,假设我发现 20°C 的温升对我的设计来说太有限了。如果我决定让温度升高 40°C,我可能会遇到短期或长期可靠性问题吗?

奖金指向任何可以引用标准来对数字进行推理的人,或者有历史证据证明为什么选择这些数字的人。

2个回答

设计 PCB 走线的宽度需要考虑很多因素,包括电流的温升。其他是电压降、阻抗、PCB 制造能力、成本、封装密度。

然而,温升是正确的“不超过”规格之一。

经验法则就是这样,您大部分时间都应该遵循。如果您进行仔细计算,您将始终能够找到允许较高上升的边缘情况。

经验法则的部分好处是,如果你遵循它,你的计算就不必太小心,规则中已经存在很大的误差。

温升的一个特点是它与电流的平方成正比,而不仅仅是与电流成正比。这降低了选择一个特定值的重要性。使 20C 上升的电流不是 10C 上升电流的两倍,它只是 10C 上升电流的 1.4 倍。如果我们将 10C 的上升电流加倍,我们会得到 40C 的上升,这开始让人感到不舒服的温暖。

为什么运行董事会很酷?各种好理由。组件冷却需要低环境。随着温度的升高,组件的寿命会迅速下降。在温暖的地方(在明亮的阳光下的车厢内)操作的余量很好。调试时,用手指在电路上移动以找到烤面包的组件,您会被烫痕弄糊涂。

没有一个杀手级的理由来让电路板冷却,也没有一个理由选择 10C 上升与 20C 上升。然而,很少有设计师会因为遵循这个“规则”而感到压抑。设定限制的东西很少。如果我们确实发现自己处于某些极端情况下,无法通过坚持任意温升数字来达到规范,那么我们会计算并测试所有内容,看看对寿命和冷却更高温度会产生什么影响。

层状铜没有预先测试电阻率,因为它会产生不同的温度范围,它将显示出非线性电阻率过程。规定这样的温度是为了使最高温度达到层的最终热充分性,留下原始的 pcb 图以供长期使用......