教你一个更简单的方法实现可编程LED驱动器

为响应新能源法规的要求,LED正越来越多地被用作节能光源。与传统灯具相比,它们具有决定性优势:能耗更低,寿命更长,并且有各种颜色可供选择。例如,借助LED,世界上最大的教堂——罗马圣彼得大教堂,现在得以呈现于全新灯光下。

通过智能控制系统,即使是其重要藏品最小的细节也可以通过预设的照明场景进行一一呈现。这些数字控制系统集成了可编程LED驱动器,因此可按需激活LED。图1显示了一个3通道LED驱动器配置的示例。

图1. 用于控制三个独立LED的LED驱动器的简化原理图。

数模转换器(DAC)(在本例中为ADI公司的AD5686)的三个输出电压中的每一个都控制一个电压-电流转换器级,在每一级的负载路径中放置独立的LED,用于每个LED通道。所有三个转换器级均由运算放大器(运放)ADA4500-2并连接一个用来控制LED电流的MOSFET实现。理论上,这个LED电流可以高达几安培,具体取决于电压源(VS)和负载电阻,在本电路中为2Ω。因此,选择合适的MOSFET非常重要。

DAC输出电压的质量很大程度上取决于基准电压源VREF。应使用高质量的基准电压源。ADR4520就是这样一个例子,如图1所示。它具有极低的噪声、超高的长期精度和出色的温度稳定性。

由于ADA4500-2的内部设计,典型的轨到轨放大器具有一定的非线性和交越失真。它们的输入级由两个并联的差分晶体管组成:PNP级(Q1和Q2)和NPN级(Q3和Q4),如图2所示。

图2. 运算放大器中的轨到轨双极晶体管输入级简化版。

根据所施加的共模电压,两组输入对产生不同的失调电压和偏置电流。如果共模电压施加到放大器输入端,与正或负电源电压(VS),相差小于0.7V,则只会激活两个输入级中的一个。那么,仅会出现对应于有效级的误差(失调电压和偏置电流)。如果电压升至0.8V,则两个输入级都将激活。在这种情况下,失调电压可能突然改变,导致所谓的交越失真和非线性。

相比之下,ADA4500-2具有集成的输入端电荷泵,无需第二个差分对即可覆盖轨到轨输入范围,从而避免了交越失真。ADA4500-2的其他优势还包括低失调、低偏置电流和低噪声分量。

在这类电路中,必须注意负载/电流路径中由LED连线产生的电感。导线通常为数米长,如果没有提供正确的补偿,可能会导致异常的振荡。此电路中的补偿通过反馈路径实现,它将由分流电阻测量的电流返回到运算放大器的输入。应根据产生的电感调整ADA4500-2上现有的电阻和电容电路。

利用图1所示的电路,能够更简易地实现可通过DAC编程以用于精确照明控制应用的多通道LED驱动器。根据特定需求进行适当调整以避免功能异常也是十分重要的。结 论

本文所述的电路显示了创建可编程LED驱动器更简单的方法,该驱动器非常适用于需要紧凑、可扩展、易于供电和高线性度电源的精确照明控制应用。不过,尺寸必须适应应用的要求,以避免由于各种存在的电感(例如线路电感和寄生电感)引起的任何故障。

多角度分析运放电路如何降噪,解决方法都在这里了!

噪声可以是随机信号或重复信号,内部或外部产生,电压或电流形式带或宽带,高频或低频。(在这里,我们将噪声定义为任何在运放输出端的无用信号)

噪声通常包括器件的固有噪声和外部噪声,固有噪声包括:热噪声、散弹噪声和低频噪声(1/f噪声)等;外部的噪声通常指电源噪声、空间耦合干扰等,通常通过合理的设计可以避免或减小影响。降低外部噪声的影响对发挥低噪声运放的性能至关重要。常见外部噪声源

电源纹波

在全波整流的线性稳压供电的电路中,100Hz纹波是主要的电源噪声,对于运放电路,100Hz噪声电平通常要求控制在10nV-100nV(RTI)内,这取决于三个因素:运放在100Hz时的电源抑制比(PSRR),稳压器的纹波抑制比及稳压器的输入滤波电容的大小。

图1是ADI高压放大器OP77的PSRR-频率曲线,可以看出,OP77在100Hz时PSRR大约是76dB,要获得不大于100nV(RTI)的性能,供电电源的纹波必须小于0.6mV。常用的三端稳压一般能提供大约60dB的纹波抑制能力,在这种情况下,稳压器的输入滤波电容必须足够大,以将输入端的纹波限制在0.6V以下。

电源去耦

典型的串联稳压器供电的电源中包含有幅度为150uV,频率范围为100Hz-100KHz的噪声,开关型电源更严重,运放的PSRR在高频时以20dB/Decade的速度降低,通过在电源脚加RC或LC去耦网络,能滤除大部分噪声,电路形式如图3。在使用RC去耦时,应该注意负载电流的变化会导致对电源脚上电压的调制。

  图3:运放供电的RC去耦电源调整率

任何电源电压的变化都会引起运放输入偏置电流的变化,图1中OP77的PSRR在DC时是126dB(0.5uV/V),电源电压的变化是一个潜在的低频噪声源。在低噪声运放的应用中,降低电源的纹波和提高电源的调整率都很重要,电源调整率不足通常会引起讨厌的低频噪声。开关电源

开关电源是一个很严重的噪声源,下图是典型的开关电源输出端的电压波形:

图4. 开关电源输出端电压波形

可以看出,噪声频谱既包含开关频率及其谐波成分,还包含开关回路谐振引起的阻尼振荡的高频成分,从几十KHz一直延续到几十MHz,而普通的运放在几百Hz以上时PSRR开始急剧下降,到几百KHz时几乎为零,此时,出现在输出端的电源噪声将很严重。影响途径和对策:

除了注意对运放PSRR或CMRR参数的选择和加强运放供电去耦(如采用RC去耦)外,在开关电源供电设计中,还应注意如下一些方面:

  • 电源中的噪声可能通过基准源或PCB的漏电直接耦合到放大器的输入端。要注意对电压基准源输出的滤波,对于PCB漏电,可在信号输入引线与电源走线间加地线防护;
  • 噪声可能通过PCB走线之间的分布电容直接耦合到放大器输入端,造成干扰。在PCB布线时,要注意电源线与弱信号线不要贴近平行走线,线净距大于线宽的3倍(3W原则),并在电源线或数字信号线与模拟小信号线之间加地线隔离;
  • 接地处理不当,噪声通过公共阻抗影响敏感电路部分。为了防止公共阻抗将电源噪声引入信号回路,要注意如下几点:接地上避免带噪声的大电流流过前级小信号地;单点接地,电源、模拟、数字电路分开接地;布板使用地平面层,最小化地线阻抗;开关电源输出从最后一个滤波电容的地端引出电源地,避免从滤波电感前的电容的地端引出。

   图5:共模阻抗噪声耦合示意图

开关管漏极开关电压驱动的位移电流,通过初次级分布电容,次级电路,次级对大地与杂散电容,大地与初级地之间的杂散电容形成环路,次级模拟电路中流过的共模电流流过不平衡的阻抗转换成差模,对放大电路造成干扰(如图6)。共模方式引入的干扰一般为开关噪声中的高频分量(数MHz以上)。措施主要有如下三点:

  1. 提供一条从开关电源次级地返回初级地的低阻抗噪声旁路通道,通常使用1000p~2200p的安规电容;
  2. 使用共模扼流圈加强开关电源的输出的共模滤波;
  3. 使用隔离技术,最小化回路中的共模电流。

图6. 开关电源中的共模电流回路

通过空间磁场耦合到具有一定环路面积的信号回路或地线环中,造成对信号的影响。另外来自开关电源或市电网络的高频干扰可能通过空间杂散电容直接耦合到信号回路。设计中的考虑包括

  • 合理的布局、调整电感线圈或变压器放置方向、优化布线,减小关键信号的回路面积,避免形成地环路可以减小干扰;
  • 双面或单面板布线,注意信号线和地线,电源线与地线一定要贴近平行走线;使用1000p电容射频多点接地,可以兼顾EMC和低频信噪比的需求;
  • 对敏感电路加屏蔽,注意屏蔽层连接到被保护信号的参考地;
  • 走线设计上注意电源线不要和信号线捆扎在一起。

小结:在运放电路设计中降低电源噪声的主要措施包括

  • 通过去耦、滤波等措施降低电源输出的纹波和噪声成分
  • 改善设计,提高电源电压调整率
  • 合理电路结构、考究的PCB布线、合理的走线工艺
  • 选择在敏感噪声频段的PSRR或CMRR较高的器件

图文干货!31个EMC标准电路分享

1、AC24V接口EMC设计标准电路

2、AC110V-220VEMC设计标准电路

3、AC380V接口EMC设计标准电路

4、AV接口EMC设计标准电路

5、CAN接口EMC设计标准电路

6、DC12V接口EMC设计标准电路

7、DC24V接口EMC设计标准电路

8、DC48接口EMC设计标准电路

9、DC110V接口EMC设计标准电路

10、DVI EMC设计标准电路

11、HDMI接口EMC设计标准电路

12、LVDS接口EMC设计标准电路

13、PS2接口EMC设计标准电路

14、RJ11EMC设计标准电路

15、RS232 EMC设计标准电路

16、RS485EMC设计标准电路

17、SCART接口EMC设计标准电路

18、s-video接口EMC设计标准电路

19、USB DEVICE EMC设计标准电路

20、USB2.0接口EMC设计标准电路

21、USB3.0接口EMC设计标准电路

22、VGA接口EMC设计标准电路

23、差分时钟EMC设计标准电路

24、耳机接口EMC设计标准电路

25、复合视频接口EMC设计标准电路

26、汽车零部件电源口EMC标准设计电路

27、室内外天馈浪涌设计标准电路

28、无源晶振EMC设计标准电路

29、有源晶振EMC设计标准电路

 (1)以太网EMC(EMI)设计标准电路

30、以太网EMC(浪涌)设计标准电路(差模要求较高方案)

31、以太网EMC(浪涌)中心抽头方案(节约空间)

电路设计中如何选择电阻?

电阻的种类很多,普通常用的电阻有碳膜电阻、水泥电阻、金属膜电阻、线绕电阻等;特殊电阻有压敏电阻、热敏电阻、光敏电阻等。不同类型的电阻,其特性参数都有一定的差异,在电路使用时需要考虑的重点也不一样。在电路设计中如果忽略了电阻的某些特殊参数,可能会使产品的稳定性和可靠性得不到保证。正确的理解电阻各个参数以及不同电阻的选型注意事项,全面的理解电阻在电路中起到的真正作用,才能够在电路设计中从基本的层面上来保证产品的功能和性能。

1电阻的基本参数

说起电阻,我们的第一印象应该就是物理书上所描述的:导电体对电流的阻碍作用称为电阻。电阻在电路原理图中用R表示,单位为欧姆(Ω),常用的有欧姆,千欧,兆欧等(分别用Ω,KΩ,MΩ表示)。

电阻主要关注的参数有:

1)标称阻值

电阻器上所标示的阻值。

2)阻值偏差

标称阻值与实际阻值的差值除以标称阻值所得的百分数称为阻值偏差,它表示电阻器的精度。

而在进行实际的电路设计时,只关注这两个参数是不够的,还有两个重要的参数必须要在设计中引起足够的重视:额定功率和耐受电压值,这两个参数对整个电路系统的可靠性影响非常大。

例如电路中流过电阻的电流为100mA,电阻的阻值为100Ω,那么根据电路功率计算公式P=I*I*R,可以计算出该电阻上的消耗功率为1W此时如果选择常用的贴片电阻,如封装为0805或1206是不合适的,该电路会因为电阻的额定功率小而出现问题。因此,该电阻应当选择额定功率在1W以上(电路设计中,电阻选择时的功率余量应在实际消耗功率的2倍以上),否则电阻上消耗的功率会使电阻过热而失效。

同样,耐压值选择不合适的时候,也会因为电阻被击穿而导致整个电路系统的故障。举例来说,AC-DC开关电源模块在设计的输入前端,根据安规要求(GB4943.1标准),要保证插头或连接器断开后,在输入端L、N上的滞留电压能够在1S内衰减到初始值的37%以下,因此,在实际电路设计时,当电阻的耐压值低于输入端高压的情况下,就会失效。2电阻在电路中的作用

1、基本作用

电阻点电路中用作分压器、分流器和负载电阻;它与电容器一起可以组成滤波器及延时电路,在电源电路或控制电路中用作取样电阻;在半导体电路中用作偏置电阻以确定电路的工作点等,对于这些作用,电路中的应用是非常多的,也是非常重要的。

要根据电阻在电路中的作用和具体的技术要求,来选择使用哪种类型的电阻,例如,对电路中的降压和限流电阻、音频负载电阻等,选用碳膜电阻就能满足要求;若是稳压电路中的取样电阻、延时电路中的定时电阻等要求热稳定性较高的场合,最好选用金属膜电阻;对于测量仪表中的分流、分压电阻,应该选用精密度等级较高的电阻。这些常见的功能作用我们就不过多介绍了。

我们重点介绍一下0欧姆电阻以及特殊电阻在电子电路设计中的作用及使用注意事项。

2、0欧姆电阻在电路中的作用

相信我们在看前辈设计的电子产品时,经常会看到电路上存在有0欧姆的电阻,为什么要设计这么一个电阻呢?直接在画电路图时用一根导线连过去就行了,还这么画蛇添足干什么?

原因有多个方面,我们简要介绍如下:

1)模拟地和数字地单点接地

我们知道,在电路图中,只要是地,最终都要接到一起,然后接入大地。如果不接在一起就是“浮地”,存在压差,容易积累电荷,造成静电、地是参考零电位,所有电压都是参考地得出的,地的标准要一致,故各种地应短接在一起。如果把模拟地和数字地大面积相连,会导致互相干扰。不短接又不妥,有四种方法解决此问题。用磁珠连接;用电容连接;用电感连接;用0欧姆电阻连接。

我们来一一分析一下这四种连接方式:

a)、用磁珠连接:磁珠的等效电路相当于带阻滤波器,只对某个频点的噪声有显著抑制作用,使用时需要预先估计噪点频率,以便选用适当型号;对于频率不确定或无法预知的情况,磁珠不合适;

b)、用电容连接:电容隔直通交,容易造成浮地;

c)、用电感连接:电感体积大,杂散参数多,不稳定;

d)、用0欧姆电阻连接:0欧姆电阻相当于很窄的电流通过,能够有效的限制环路电流,使噪声得到抑制。电阻在所有频带上都有衰减作用(0欧姆电阻也有阻抗),这点比磁珠强。

2)跨接时用于电流回路

当分割电地平面后,造成信号最短回流路径断裂,此时,信号回路不得不绕道,形成很大的环路面积,电场和磁场的影响就变强了,容易干扰/被干扰。在分割区上跨接地0欧姆电阻,可以提供较短的回流路径,减小干扰。

3)配置电路

一般产品上是不能有跳线或者拨码开关的,因为一旦有了这些可以手动操作的开关,用户难免会乱动,从而导致设置出错,容易引起误会或者故障,为了减少维护费用,应用0欧姆电阻代替跳线等焊接在电路板上。控制跳线在高频时相当于天线,所以用贴片电阻会更好一些。

4)其它用途

布线时跨接调试/测试用:在开始设计时,要串一个电阻用来调试,但是还不能确定具体的值,加这样一个器件后,方便以后的电路调试,如果调试的结果不需要加电阻,就加一个0欧姆的电阻。临时取代其它贴片器件作为温度补偿器件,更多时候是出于EMC对策的需要。另外,0欧姆电阻比过孔的寄生电感小,而且过孔还会影响地平面(因为要打孔)。

总结如下:

在电路中没有任何功能,只是在PCB上为了调试方便或者兼容设计等原因。

可以做跳线用,如果某段线路不用,直接贴上0欧姆电阻即可(不影响外观)。

在匹配电路参数不确定的时候,以0欧姆电阻代替,实际调试的时候,确定参数后,再以具体数值的元件代替。

想测试某部分电路的电流时,可以去掉0欧姆电阻,接上电流表,这样方便进行电流测试。

在布线时,如果实在布不下去了,也可以加一个0欧姆电阻。

在高频信号下,充当电感或电容(与外部电路特性有关)用,主要是解决EMC问题,如地与地、电源和IC Pin之间。

单点接地(指保护接地、工作接地、直流接地,在设备上相互分开,各自成为独立系统)。

3、特殊电阻在电源模块外围防护电路的作用

最常见的特殊电阻有热敏电阻、湿敏电阻、压敏电阻等,压敏电阻在AC-DC开关电源设计和应用中起着关键的作用。

压敏电阻MOV是在电路电磁兼容(EMC)中最常用的器件之一,广泛的被应用在电子线路中,来防护因为电力供应系统的瞬时电压突变可能对电路造成的伤害。其特性通俗的理解为前端电压高于压敏电阻的开启电压时,压敏电阻被击穿,压敏电阻的阻值降低而将电流予以分流,防止后级受到过大的瞬时电压破坏或干扰,从而保护了敏感的电子组件。电路防护就是利用压敏电阻的非线性特性,当过电压出现在压敏电阻的两极间时,压敏电阻可以将电压钳位到一个相对固定的电压值,从而实现对后级电路的保护。压敏电阻的主要参数有压敏电压、通流容量、结电容、响应时间等。

不过,也不要把压敏电阻的作用想得太大了,压敏电阻是不可以提供完整的电压保护的,压敏电阻所能承受的能量或功率是有限的,不能提供持续性的过电压保护。持续的过电压会破坏保护装置(压敏电阻)。压敏电阻不能提供保护的部分还有开机时的冲击电流,短路时的过电流,电压突降等情况,这些情况需要其他方式的防护。

热敏电阻是一种跟温度相关的器件,一般分为两种,NTC为负温度系数热敏电阻,即温度越高,阻抗越小;PTC为正温度系数的热敏电阻,即温度越高,阻抗越大。利用阻抗对温度的敏感特性在电路设计中有着非常重要的作用。

NTC在电路中主要为抑制电路启动过程中的启动电流,在系统启动过程中,由于系统内部存在功率电路、容性及感性负载,因此在启动瞬间会出现非常大的冲击电流。如果电路器件选型过程中没有考虑器件瞬时的抗电流能力。那么系统在多次启动的操作过程中,就很容易导致器件被击穿损坏,而在电路中加入NTC,等于在输入回路启动时,提高输入阻抗减少冲击电流,而系统处于稳定状态时,由于NTC发热,根据其负温度特性,阻抗降低,从而在NTC上的损耗也降低,减少了系统的整体损耗。

PTC在电路中可以起到保险丝的作用,所以其还有另外一个名字:自恢复保险丝。在系统运行过程中,电路出现异常,导致出现大电流时,如果该部分电路中串有一个PTC,那么也就等于在PTC中有大电流流过,PTC发热,根据其正温度特性,其阻抗将变得很大,使整个回路的阻抗变大,从而使回路的电流变小,起到了保险丝的作用。根据其正温度的特性,PTC的另外一个作用是在电路中实现过温保护。

3电路中的电阻使用总结

电阻的知识涵盖非常多,不仅仅是知道欧姆定律后就能应用好,其中还包括了材质极其特殊性能,如电阻元件的电阻值大小不仅与温度、材料、长度有关,还与横截面积有关,衡量电阻受温度影响大小的物理量是温度系数,其定义为温度每升高1°C时电阻值发生变化的百分数;电阻的主要物理特征是变电能为热能,也可以说它是一个耗能元件,电流经过它就产生损耗,以热能的形式表现;电阻在电路中通常起分压、分流的作用;对信号来说,交流与直流信号都可以通过电阻。作为硬件工程师,想要把元器件使用的得心应手,就需要对材质、电气特性和其特殊性有深入的了解。

PCB 线宽与电流关系,查表与计算!

一、计算方法如下

先计算 Track 的截面积,大部分 PCB 的铜箔厚度为 35um(不确定的话可以问 PCB 厂家,1盎司为35um,实际上都不足35um)它乘上线宽就是截面积,注意换算成平方毫米。

有一个电流密度经验值,为 15~25 安培/平方毫米。把它称上截面积就得到通流容量。I=KT0.44A0.75 (K 为修正系数,一般覆铜线在内层时取 0.024,在外层时取 0.048T 为最大温升,单位为摄氏度(铜的熔点是 1060℃)A 为覆铜截面积,单位为平方 MIL(不是毫米mm,注意是 square mil.)I 为容许的最大电流,单位为安培 (amp) 一 般10mil=0.010inch=0.254 可 为 1A ,250MIL=6.35mm, 为 8.3A

二、数据

PCB 载流能力的计算一直缺乏权威的技术方法、公式,经验丰富 CAD 工程师依靠个人经验能作出较准确的判断。但是对于 CAD 新手,不可谓遇上一道难题。 PCB 的载流能力取决于以下因素:线宽、线厚(铜箔厚度)、容许温升。大家都知道,PCB 走线越宽,载流能力越大。在此,请告诉我:假设在同等条件下,10MIL 的走线能承受 1A,那么 50MIL 的走线能承受多大电流,是 5A 吗?答案自然是否定的。请看以下来自国际权威机构提供的数据:线宽的单位是:Inch (inch 英寸=25.4 millimetres 毫米)1 oz.铜=35 微米厚,2 oz.=70 微米厚, 1 OZ =0.035mm 1mil.=10-3inch. Trace Carrying Capacity per mil std 275

三,实验

实验中还得考虑导线长度所产生的线电阻所引起的压降。工艺焊所上的锡只是为了增大电流容量,但很难控制锡的体积。1 OZ 铜,1mm 宽,一般作 1 – 3 A 电流计,具体看你的线长、对压降要求。

最大电流值应该是指在温升限制下的最大允许值,熔断值是温升到达铜的熔点的那个值。Eg. 50mil 1oz 温升 1060 度(即铜熔点),电流是 22.8A。

四、PCB 设计铜铂厚度、线宽和电流关系

在了解 PCB 设计铜铂厚度、线宽和电流关系之前先让我们了解一下 PCB 敷铜厚度的单位盎司、英寸和毫米之间的换算:”在很多数据表中,PCB 的敷铜厚度常常用盎司做单位,它与英寸和毫米的转换关系如下:

1 盎司 = 0.0014 英寸 = 0.0356 毫米(mm)

2 盎司 = 0.0028 英寸 = 0.0712 毫米(mm)

盎司是重量单位,之所以可以转化为毫米是因为pcb 的敷铜厚度是盎司/平方英寸” PCB 设计铜铂厚度、线宽和电流关系表

导线的电流承载值与导线线的过孔数量焊盘存在的直接关系(目前没有找到焊盘和过孔孔径每平方毫米对线路的承载值影响的计算公式,有心的朋友可以自己去找一下,个人也不是太清楚,不在说明)这里只做一下简单的一些影响到线路电流承载值的主要因素。

1、在表格数据中所列出的承载值是在常温 25 度下的最大能够承受的电流承载值,因此在实际设计中还要考虑各种环境、制造工艺、板材工艺、板材质量等等各种因素。所以表格提供只是做为一种参考值。

2、在实际设计中,每条导线还会受到焊盘和过孔的影响,如焊盘教多的线段,在过锡后,焊盘那段它的电流承载值就会大大增加了,可能很多人都有看过一些大电流板中焊盘与焊盘之间某段线路被烧毁,这个原因很简单,焊盘因为过锡完后因为有元件脚和焊锡增强了其那段导线的电流承载值,而焊盘与焊盘之间的焊盘它的最大电流承载值也就为导线宽度允许最大的电流承载值。因此在电路瞬间波动的时候,就很容易烧断焊盘与焊盘之间那一段线路,解决方法:增加导线宽度,如板不能允许增加导线宽度,在导线增加一层Solder 层(一般 1毫米的导线上可以增加一条 0.6 左右的 Solder 层的导线,当然你也增加一条 1mm 的Solder层导线)这样在过锡过后,这条 1mm 的导线就可以看做一条 1.5mm~2mm 导线了(视导线过锡时锡的均匀度和锡量),如下图:

像此类处理方法对于那些从事小家电 PCB Layout 的朋友并不陌生,因此如果过锡量够均匀也锡量也够多的话,这条 1mm 导线就不止可以看做一条 2mm 的的导线了。而这点在单面大电流板中有为重要。

3、图中焊盘周围处理方法同样是增加导线与焊盘电流承载能力均匀度,这个特别在大电流粗引脚的板中(引脚大于 1.2 以上,焊盘在 3 以上的)这样处理是十分重要的。因为如果焊盘在 3mm 以上管脚又在1.2 以上,它在过锡后,这一点焊盘的电流就会增加好几十倍,如果在大电流瞬间发生很大波动时,这整条线路电流承载能力就会十分的不均匀(特别焊盘多的时候),仍然很容易造成焊盘与焊盘之间的线路烧断的可能性。图中那样处理可以有效分散单个焊盘与周边线路电流承载值的均匀度。

最后在次说明:电流承载值数据表只是一个绝对参考数值,在不做大电流设计时,按表中所提供的数据再增加 10%量就绝对可以满足设计要求。而在一般单面板设计中,以铜厚 35um,基本可以于 1 比 1 的比例进行设计,也就是 1A 的电流可以以 1mm 的导线来设计,也就能够满足要求了(以温度 105 度计算)。

五、PCB 设计时铜箔厚度,走线宽度和电流的关系

信号的电流强度。当信号的平均电流较大时,应考虑布线宽度所能承载的的电流,线宽可参考以下数据:

PCB 设计时铜箔厚度,走线宽度和电流的关系

不同厚度,不同宽度的铜箔的载流量见下表:

注:

  • 用铜皮作导线通过大电流时,铜箔宽度的载流量应参考表中的数值降额50%去选择考虑。
  • 在 PCB 设计加工中,常用 OZ(盎司)作为铜皮厚度的单位,1 OZ 铜厚的定义为 1 平方英尺面积内铜箔的重量为一盎,对应的物理厚度为35um;2OZ 铜厚为 70um。

摘自:华为 PCB 布线规范内部资料 P10

六 经验公式

I=KT0.44A0.75

(K 为修正系数,一般覆铜线在内层时取 0.024,在外层时取 0.048T 为最大温升,单位为摄氏度(铜的熔点是 1060℃)

A 为覆铜截面积,单位为平方 MIL(不是毫米 mm,注意是 square mil.)

I 为容许的最大电流,单位为安培(amp)

一般 10mil=0.010inch=0.254 可为 1A,250MIL=6.35mm, 为 8.3A

七、某网友提供的计算方法如下

先计算 track 的截面积,大部分 pcb 的铜箔厚度为 35um(不确定的话可以问 pcb 厂家)它乘上线宽就是截面积,注意换算成平方毫米。 有一个电流密度经验值,为 15~25 安培/平方毫米。把它称上截面积就得到通流容量。

八、关于线宽与过孔铺铜的一点经验

我们在画 PCB 时一般都有一个常识,即走大电流的地方用粗线(比如 50mil,甚至以上),小电流的信号可以用细线(比如 10mil)。对于某些机电控制系统来说,有时候走线里流过的瞬间电流能够达到 100A 以上,这样的话比较细的线就肯定会出问题。

一个基本的经验值是:10A/平方 mm,即横截面积为 1 平方毫米的走线能安全通过的电流值为 10A。如果线宽太细的话,在大电流通过时走线就会烧毁。当然电流烧毁走线也要遵循能量公式:Q=I*I*t,比如对于一个有 10A 电流的走线来说,突然出现一个 100A 的电流毛刺,持续时间为 us 级,那么 30mil 的导线是肯定能够承受住的。(这时又会出现另外一个问题??导线的杂散电感,这个毛刺将会在这个电感的作用下产生很强的反向电动势,从而有可能损坏其他器件。越细越长的导线杂散电感越大,所以实际中还要综合导线的长度进行考虑)

一般的 PCB 绘制软件对器件引脚的过孔焊盘铺铜时往往有几种选项:直角辐条,45 度角辐条,直铺。他们有何区别呢?新手往往不太在意,随便选一种,美观就行了。其实不然。主要有两点考虑:一是要考虑不能散热太快,二是要考虑过电流能力。

使用直铺的方式特点是焊盘的过电流能力很强,对于大功率回路上的器件引脚一定要使用这种方式。同时它的导热性能也很强,虽然工作起来对器件散热有好处,但是这对于电路板焊接人员却是个难题,因为焊盘散热太快不容易挂锡,常常需要使用更大瓦数的烙铁和更高的焊接温度,降低了生产效率。使用直角辐条和 45 角辐条会减少引脚与铜箔的接触面积,散热慢,焊起来也就容易多了。所以选择过孔焊盘铺铜的连接方式要根据应用场合,综合过电流能力和散热能力一起考虑,小功率的信号线就不要使用直铺了,而对于通过大电流的焊盘则一定要直铺。至于直角还是 45 度角就看美观了。

为什么提起这个来了呢?因为前一阵一直在研究一款电机驱动器,这个驱动器中 H 桥的器件老是烧毁,四五年了都找不到原因。在一番辛苦之后终于发现:原来是功率回路中一处器件的焊盘在铺铜时使用了直角辐条的铺铜方式(而且由于铺铜画的不好,实际只出现了两个辐条)。这使得整个功率回路的过电流能力大打折扣。虽然产品在正常使用过程没有任何问题,工作在 10A 电流的情况下完全正常。但是,当 H 桥出现短路时,该回路上会出现 100A 左右的电流,这两根辐条瞬时就烧断了(uS 级)。然后呢,功率回路变成了断路,储藏在电机上的能量没有泻放通道就通过一切可能的途径散发出去,这股能量会烧毁测流电阻及相关的运放器件,击毁桥路控制芯片,并窜入数字电路部分的信号与电源中,造成整个设备的严重损毁。整个过程就像用一根头发丝引爆了一个大地雷一样惊心动魄。