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PCB設(shè)計中如何實現(xiàn)電路板連接線的規(guī)格化

發(fā)布時間 :2017-11-15 09:06 閱讀 : 來源 :技術(shù)文章責(zé)任編輯 :深圳宏力捷PCB設(shè)計部
導(dǎo)線的規(guī)格參數(shù)可以很容易地從各種資料中獲得,但如何用這些參數(shù)來計算印刷電路板連接線的電阻呢?本文將介紹在PCB設(shè)計中利用導(dǎo)線規(guī)格與印刷電路板連接線尺寸之間的關(guān)系,以及電阻與尺寸及溫度之間的函數(shù)關(guān)系來計算連接線的電阻。
 
從各種出版物和手冊中可以獲得與尺寸相關(guān)的導(dǎo)線電氣參數(shù)(通常稱為導(dǎo)線規(guī)格)的大量資訊。但如何用這些資訊來分析印刷電路板連接線參數(shù)的資料卻很少。下文將介紹導(dǎo)線規(guī)格和連接線面積之間的關(guān)系,以及如何利用連接線電阻與尺寸和溫度之間的函數(shù)關(guān)系。
 
導(dǎo)線直徑與AWG規(guī)格之間的關(guān)系。
 
背景資料
美國導(dǎo)線規(guī)格(AWG)體系于1857年由J.R. Brown建立,稱為Brown & Sharp(B&S)規(guī)格。從導(dǎo)線的生產(chǎn)制程可以知道,導(dǎo)線是藉由一系列直徑逐漸減小的孔拉制而成,導(dǎo)線的規(guī)格大致反映了拉制所需要的步驟數(shù)。例如一個規(guī)格為24的導(dǎo)線比規(guī)格為20的導(dǎo)線多拉4次。表中所列為目前導(dǎo)線規(guī)格及其相應(yīng)的直徑和橫截面面積。
 
在所有的資料中并沒有對這些步驟進(jìn)行具體定義,但有一點是一致的:規(guī)格0000(4/0),其直徑定義為0.4600英寸;規(guī)格36,其直徑為0.0050英寸。其它規(guī)格的幾何尺寸都介于兩點之間。如果這些尺寸均勻分布,則任何兩個相鄰直徑之間的比值可由下式得出(注意:在規(guī)格0000和規(guī)格36之間共有39級)。
 
 
在PCB設(shè)計中利用導(dǎo)線規(guī)格與印刷電路板連接線尺寸之間的關(guān)系
 
實際上,各規(guī)格的直徑并不是均勻分布的。表中任何兩個相鄰直徑之間的比值與該公式的計算結(jié)果很相近,但多級后就會因為誤差累積而產(chǎn)生很大的偏差,因此利用上式的計算值是近似值而不是實際值。
 
計算方程式
在直徑、直徑常用對數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格的曲線圖中,可見直徑的成長有一定規(guī)則,導(dǎo)線直徑的對數(shù)與導(dǎo)線規(guī)格曲線幾乎是直線。該曲線的方程為:規(guī)格= -9.6954 - 19.8578×Log10(d), 其中d為導(dǎo)線直徑,單位為英寸。
 
印刷電路板連接線的橫截面是長方形而不是圓形。因此,能定義以橫截面面積為變量的等式如下:規(guī)格 = 1.08 + 0.10×Log10(l/a), 其中a為橫截面面積,單位為平方英寸。
 
當(dāng)導(dǎo)線的橫截面面積已知時,藉由上式可以計算出等效的導(dǎo)線規(guī)格。相反地,在導(dǎo)線規(guī)格已知時,藉由下式可以計算出連接線的橫截面面積:面積 = l/(10(10×規(guī)格- 10.8))
 
在導(dǎo)線規(guī)格表中常會提供相關(guān)規(guī)格的一些參數(shù)值。藉由這些參數(shù)值可以估計某一長度導(dǎo)線的電阻。而連接線電阻的計算比導(dǎo)線電阻的計算稍微復(fù)雜。每種金屬都有一個電阻系數(shù)(有時也稱為特徵電阻),電阻系數(shù)、導(dǎo)線長度、橫截面面積與電阻之間的關(guān)系為:R=ρ×l/a
 
其中R為電阻,單位為歐姆,l為導(dǎo)線長度,a為橫截面面積。電阻系數(shù)的單位由歐姆和長度單位來表示。純銅的電阻系數(shù)通常為:ρ=1.724 (微歐-厘米)或ρ=0.6788 (微歐-厘米)
 
用該參數(shù)可以計算出任何銅連接線的電阻,即用電阻系數(shù)除以連接線的橫截面面積,并乘以連接線長度。但是必須注意,電阻系數(shù)隨溫度變化,通常所給的電阻系數(shù)為20℃時的電阻系數(shù)。因此,用該電阻系數(shù)計算出的電阻值為20℃環(huán)境溫度下的電阻。
 
連接線的電阻隨溫度而增大,稱為‘電阻溫度系數(shù)’的參數(shù)可表明這種變化的大小,用下式可計算出該參數(shù)對電阻大小的影響:R2/R1 = 1 + 0.00393×(T2-T1)
 
其中R1和T1分別為基淮電阻和基淮溫度(單位為℃)。T2是新溫度,R2是在新溫度下的電阻。
 
由于這些計算非常繁瑣,因此UltraCAD Design公司推出了一種免費(fèi)的計算工具,可以從UltraCAD的網(wǎng)站www.ultracad.com上下載。利用該工具,在給定一條連接線的等效導(dǎo)線規(guī)格、厚度或?qū)挾戎腥我鈨蓚€參數(shù)條件下,可以計算出另一個參數(shù)。它還可以在特定長度和溫度的情況下計算連接線的電阻,在特定電流時計算連接線上的電壓降。
 
焊錫層
最后,我們分析一下焊錫層對連接線電阻的改變。任何導(dǎo)體的電阻都是其電阻系數(shù)的函數(shù),分析時可將連接線和焊錫層視為并聯(lián)導(dǎo)體。假設(shè)焊錫層和連接線具有相同的寬度和長度,只需考慮連接線和焊錫層的厚度。
 
銅的電阻系數(shù)為1.724微歐-厘米,而錫的電阻系數(shù)為11.5微歐-厘米,比銅高出6.7倍。鉛的電阻系數(shù)為22微歐-厘米,比銅約高出13倍。因此,根據(jù)焊錫中錫和鉛的含量比例,焊錫層的電阻系數(shù)約比相同厚度的銅連接線高10倍。
 
由于導(dǎo)體之間的分流大小與電阻成反比,在相同厚度的銅線和焊錫層下,約90%的電流流過銅線(剩余的電流藉由焊錫層)。因此,通常在非精確測量時可以忽略焊錫層對連接線電阻和壓降的影響。


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