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PCB设计中如何实现电路板连接线的规格化

发布时间 :2017-11-15 09:06 阅读 : 来源 :技术文章责任编辑 :深圳宏力捷PCB设计部
导线的规格参数可以很容易地从各种资料中获得,但如何用这些参数来计算印刷电路板连接线的电阻呢?本文将介绍在PCB设计中利用导线规格与印刷电路板连接线尺寸之间的关系,以及电阻与尺寸及温度之间的函数关系来计算连接线的电阻。
 
从各种出版物和手册中可以获得与尺寸相关的导线电气参数(通常称为导线规格)的大量资讯。但如何用这些资讯来分析印刷电路板连接线参数的资料却很少。下文将介绍导线规格和连接线面积之间的关系,以及如何利用连接线电阻与尺寸和温度之间的函数关系。
 
导线直径与AWG规格之间的关系。
 
背景资料
美国导线规格(AWG)体系于1857年由J.R. Brown建立,称为Brown & Sharp(B&S)规格。从导线的生产制程可以知道,导线是藉由一系列直径逐渐减小的孔拉制而成,导线的规格大致反映了拉制所需要的步骤数。例如一个规格为24的导线比规格为20的导线多拉4次。表中所列为目前导线规格及其相应的直径和横截面面积。
 
在所有的资料中并没有对这些步骤进行具体定义,但有一点是一致的:规格0000(4/0),其直径定义为0.4600英寸;规格36,其直径为0.0050英寸。其它规格的几何尺寸都介于两点之间。如果这些尺寸均匀分布,则任何两个相邻直径之间的比值可由下式得出(注意:在规格0000和规格36之间共有39级)。
 
 
在PCB设计中利用导线规格与印刷电路板连接线尺寸之间的关系
 
实际上,各规格的直径并不是均匀分布的。表中任何两个相邻直径之间的比值与该公式的计算结果很相近,但多级后就会因为误差累积而产生很大的偏差,因此利用上式的计算值是近似值而不是实际值。
 
计算方程式
在直径、直径常用对数与导线规格的曲线图中,可见直径的成长有一定规则,导线直径的对数与导线规格曲线几乎是直线。该曲线的方程为:规格= -9.6954 - 19.8578×Log10(d), 其中d为导线直径,单位为英寸。
 
印刷电路板连接线的横截面是长方形而不是圆形。因此,能定义以横截面面积为变量的等式如下:规格 = 1.08 + 0.10×Log10(l/a), 其中a为横截面面积,单位为平方英寸。
 
当导线的横截面面积已知时,藉由上式可以计算出等效的导线规格。相反地,在导线规格已知时,藉由下式可以计算出连接线的横截面面积:面积 = l/(10(10×规格- 10.8))
 
在导线规格表中常会提供相关规格的一些参数值。藉由这些参数值可以估计某一长度导线的电阻。而连接线电阻的计算比导线电阻的计算稍微复杂。每种金属都有一个电阻系数(有时也称为特徵电阻),电阻系数、导线长度、横截面面积与电阻之间的关系为:R=ρ×l/a
 
其中R为电阻,单位为欧姆,l为导线长度,a为横截面面积。电阻系数的单位由欧姆和长度单位来表示。纯铜的电阻系数通常为:ρ=1.724 (微欧-厘米)或ρ=0.6788 (微欧-厘米)
 
用该参数可以计算出任何铜连接线的电阻,即用电阻系数除以连接线的横截面面积,并乘以连接线长度。但是必须注意,电阻系数随温度变化,通常所给的电阻系数为20℃时的电阻系数。因此,用该电阻系数计算出的电阻值为20℃环境温度下的电阻。
 
连接线的电阻随温度而增大,称为‘电阻温度系数’的参数可表明这种变化的大小,用下式可计算出该参数对电阻大小的影响:R2/R1 = 1 + 0.00393×(T2-T1)
 
其中R1和T1分别为基淮电阻和基淮温度(单位为℃)。T2是新温度,R2是在新温度下的电阻。
 
由于这些计算非常繁琐,因此UltraCAD Design公司推出了一种免费的计算工具,可以从UltraCAD的网站www.ultracad.com上下载。利用该工具,在给定一条连接线的等效导线规格、厚度或宽度中任意两个参数条件下,可以计算出另一个参数。它还可以在特定长度和温度的情况下计算连接线的电阻,在特定电流时计算连接线上的电压降。
 
焊锡层
最后,我们分析一下焊锡层对连接线电阻的改变。任何导体的电阻都是其电阻系数的函数,分析时可将连接线和焊锡层视为并联导体。假设焊锡层和连接线具有相同的宽度和长度,只需考虑连接线和焊锡层的厚度。
 
铜的电阻系数为1.724微欧-厘米,而锡的电阻系数为11.5微欧-厘米,比铜高出6.7倍。铅的电阻系数为22微欧-厘米,比铜约高出13倍。因此,根据焊锡中锡和铅的含量比例,焊锡层的电阻系数约比相同厚度的铜连接线高10倍。
 
由于导体之间的分流大小与电阻成反比,在相同厚度的铜线和焊锡层下,约90%的电流流过铜线(剩余的电流藉由焊锡层)。因此,通常在非精确测量时可以忽略焊锡层对连接线电阻和压降的影响。


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