30 A载流能力PCB设计与实验验证

党旭辉 李清莲 廖双

摘  要：通过利用PCB设计载流能力相关电流与线宽关系的经验公式，设计了一种基于大负载电磁继电器切换能力的PCB。通过实验验证了设计的PCB载流能力、铜箔厚度、线宽以及温升的合理性。结果表明在一定范围内，PCB铜箔厚度、铜箔宽度、铜箔温升与其载流能力均呈正相关关系。另外发现在最大允许通流范围内，电磁继电器表面温度与其载流能力呈正相关关系。该研究可以用于智能型面板开关电源板的设计与制造。

关键词：载流能力;铜箔厚度;铜箔宽度;温升

中图分类号：TM581.3                    文献标识码：A文章编号：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

当前，在我国酒店行业，酒店客房大多采用低频卡进行取电，面板开关用于客房内总电源的控制（负载包含照明、空调、电视、热水器等）;只有其探测到低频感应时才会通电。当客人离开房间时，客人顺手取走房卡（开门卡），节电开关会在15秒内自动延迟断电，有效地达到了酒店客房节能的目的。随着智慧酒店的逐渐发展，“安全+智慧”入住方式越来越受到人们的重视，特别是随着智能门锁行业的蓬勃发展，开锁方式由原有的刷房卡逐步改变为刷身份证、二维码等，房卡的作用逐步变为仅用于客房的用电、取电。

为了实现真正的智能化入住，本文以面板开关的电源板为研究对象，设计了符合行业主流最大规格（220 V/30 A）的面板开关电源板，并预留DC12V接口作为控制接口，以供后期各种场景的应用，在设计中以大电流载流能力为落脚点，通过相关要素的合理设计、生产工艺的合理优化以及实验验证，实现达到符合载流能力的PCB。

1  高负载PCB相关问题以及通流能力简介

当前酒店、家庭等开关主要应用场合主要选用86型面板开关，根据GB 16915.1-2003/IEC60669-1《家用和类似用途固定式电气装置的开关》相关标准，按照产品互换性原则，选用当前现有的标准背盒和暗盒作为电源板尺寸设计的参考依据，以及采取电源板留有标准接口用于具体应用场景的实施。依据背盒的纵深尺寸，在保证产品装配尺寸允许的前提下，继电器选用某品牌小型大功率继电器（最大切换电压大于250 V，最大切换/连续电流40/30 A），电源板与继电器安装如图1所示，电源PCB结构尺寸图如图2所示。

2  关键部分的设计分析与工艺优化

2.1  关键参数的计算

电源PCB基材选用FR-4材料，特别是铜箔作为导线通过大电流时其附着强度和工作温度较高，PCB一般允許温度为260 ℃，但由于焊锡熔点温度为183 ℃，因此PCB不可超过焊锡的熔点[1]。考虑到该电源板为民品级，其IC承受温度为70 ℃，因此该铜箔温度需控制在较低水平[2]。

按照其加工工艺及板厚尺寸要求，参考覆铜截面积与温升和允许最大载流能力经验公式、PCB板铜箔宽度及厚度与电流关系，如表1所示[3]，初步确定PCB板厚2 mm，铜箔厚度为70 um（2 oz），双面覆铜。铜箔长度、宽度如图3所示。

根据铜箔（Track）的截面积，根据经验公式：

I=K T0.44A0.75

K——修正系数，一般覆铜线在内侧时取0.024，在外测时取0.048;

T——最大温升（℃）;

A——覆铜截面积（mil2）;

I——允许最大电流（A）;

继电器触点处PCB覆铜截面积分别为（按照2 oz，覆銅厚度70 um，即2.7 mil计算）：

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）

双层板（双侧覆铜）：I11=26.4（A），I12=30（A）

在PCB板尺寸有限的情况下，当前铜箔I11载流理论值暂未达到30 A，铜箔I12刚达到载流理论值，为了保证PCB的高可靠性，下文对加工工艺进行优化。

2.2  加工工艺的优化

由于PCB尺寸限制不允许增加导线宽度，为了保证其30 A载流能力，考虑在无元器件分布的背面线路上打开防焊绿油，并利用SMT的制程加印锡膏，通过加锡来增加导线的厚度，如图4所示，以增加其电流承载的能力[4]。

在打开防焊绿油利用加锡来增加导线厚度的同时，为了增强底层铜箔与顶层铜箔的互通能力，在顶层和底层之间开金属化孔，用化学反应将一层铜渡在孔的内壁上[5]，如图5所示。

3  载流能力实验

按照以上设计方法，生产加工出电源PCB样品，接通电源板（V+、V-分别与继电器两个线包相连，使继电器处于闭合状态，PCB通电处于工作状态）进行负载试验，负载试验包含冲击试验和耐久试验。测试环境为：市电约225 V，初始环境温度为27 ℃左右（由于负载为水泥电阻，其发热量较大，在一定程度上会引起环境温度的上升）。

实验平台搭建主要包含两部分内容，即配电箱的搭建和负载（水泥电阻）的安装走线，如图6所示。为了避免大电流形成温升，同时为了各路负载控制的便捷性，在火线从强电板输出端进入端子排之后，在端子输出端接5根火线用于每个负载。为了提高通风性，负载（水泥电阻）在安装过程中保持一定的间距（至少20 cm），其效果图如图7所示。

3.1  90%负载耐久实验

90%负载耐久实验主要是工作电流在27 A条件下，连续测试3 h，观察记录室温、PCB板铜箔外表面温度、继电器温度值，实验结果如图8所示。

实验结果：PCB正常工作，继电器温升最大达到18 ℃，铜箔外侧表面温升最大达到3.6 ℃。

3.2  105%负载冲击实验

完成90%负载耐久性实验后直接进入105%负载冲击实验，工作电流31.5 A，5 min重启一次，3次为一组，连续测试5组，观察记录室温、PCB板铜箔外表面温度、继电器温度值，实验结果如图9所示。

实验结果：PCB正常工作，继电器温升最大达到20.5 ℃，铜箔外侧表面温升最大达到3.5 ℃。

3.3  105%负载耐久实验

105%负载冲击试验后立即进入该负载耐久试验，工作电流31.5 A，持续时间为7 h，25 min记录一次实验数据，观察记录室温、PCB板铜箔外表面温度、继电器温度值，实验结果如图10所示。

实验结果：PCB正常工作，继电器温升最大达到23.5 ℃，铜箔外侧表面温升最大达到7.6 ℃。

3.4  极限测试

3.4.1  120%负载实验

105%耐久实验结束后直接接入120%负载实验，工作电流36 A，持续时间2 min，实验结果如图11所示。

实验结果：PCB正常工作，继电器温升最大达到24.8 ℃，铜箔外侧表面温升最大达到11.2 ℃。

3.4.2  133%负载实验

120%耐久实验结束后直接接入133%负载实验，工作电流40 A，持续时间1 min，实验结果如图12所示。

实验结果：PCB正常工作，继电器温升最大达到22.5 ℃，铜箔外侧表面温升最大达到9.3 ℃。

4  结  论

本文设计并实验研究了一种基于86型面板开关的30 A载流能力的PCB电源板。在行业标准限定的尺寸范围内采用设计优化和实验验证的方式，实验结果表明，采用双层覆铜（铜箔2 oz）的2 mm PCB板、在铜箔横截面最大化的前提下，可采用对PCB打开防焊绿油进行回流焊、开金属化孔等方式保证其载流能力，同时实验证明了在允许最大载流前提下，PCB铜箔厚度、铜箔宽度、铜箔温升与其载流能力均呈正相关关系。

参考文献：

[1] GB/T 4588.3-2002，印制板的设计和使用 [S].北京：中国标准出版社，2002.

[2] 祝大同.PCB基材——覆铜箔板技术基础（续五） [J].印制电路信息，1997（4）：42-47.

[3] 毛楠，孙瑛.电子电路抗干扰实用技术 [M].北京：国防工业出版社，1996.

[4] 周琛.开关电源PCB排版基本要点 [J]，西安：电源技术应用，2005（9）：23-31.

[5] 刘胜利.现代高频开关电源实用技术 [M]，北京：电子工业出版社，2001.

作者简介：党旭辉（1988—），男，汉族，陕西宝鸡人，工程师，硕士研究生，研究方向：项目管理。

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