Ist es sicher, schmale, aber kurze Leiterbahnen für einen hohen Stromfluss zu verwenden?

Ich versuche, eine Leiterplatte mit Hochstromspuren zu entwerfen.

PCB hat eine Leiterbahndicke von 1 oz (35 um). Der maximale Stromfluss beträgt 12 A RMS.

Ich habe diesen Online-PCB-Dickenrechner gefunden: https://www.eeweb.com/toolbox/external-pcb-trace-max-current

Laut diesem Rechner reicht eine Breite von 5 mm aus, um einen Stromfluss von 15 Ampere bei 70 °C zu halten. Aufgrund einiger Designbeschränkungen muss ich die Leiterbahn jedoch schmaler als 2 mm machen.

Für Leiterbahnen mit einer Breite von 2 mm weist der Rechner darauf hin, dass er einen Stromfluss von 11,2 Ampere bei 125 °C halten kann, was zu hoch ist. Um die Situation zu demonstrieren, sehen Sie sich bitte das folgende PCB-Layout an:

PCB-Layout

Meine Frage ist, was passiert, wenn ich diese Platine in Betrieb nehme? Ich habe versucht, schmale Hochstromleitungen so kurz wie möglich zu halten, aber sie sind unvermeidlich. Ich möchte denken, dass der thermische Anstieg auf schmalen Linien auf breite Linien verteilt wird, da sie geleitet werden, aber ich bin mir nicht wirklich sicher, was passieren wird. Werden diese schmalen Linien irgendwie ausbrennen? Wenn ja, was sind Ihre praktischen Ratschläge?

Welchen End-zu-End-Widerstand hat die dünne Leiterbahn?
70°C über Ambiente oder bei 70°C dann mit welchem ​​Ambiente? Was, wenn die Stimmung zunimmt? Und nein, Wärme wird nicht einfach abfließen, schon gar nicht über die ohnehin schon heißen Spuren drumherum. Sie können etwas mehr Kapazität erhalten, indem Sie die Leiterbahnen dicker machen, entweder indem Sie mehr Kupfer verwenden oder sie verzinnen.
@ Andyaka 4,3 Mikroohm. Was liegt Ihnen am Herzen?
@PlasmaHH Diese Berechnung war für 25 Umgebungstemperatur und 45 Anstieg.
4,3 uOhm und 12 Ampere sind eine Verlustleistung von 0,6 mW, aber ich bezweifle, dass die 2-mm-Spur, die ungefähr 1,5 cm lang zu sein scheint, und keine durchgehende Verbindung zu sein scheint, also ist es unklar.
@ Alper91: Sie sollten wahrscheinlich die maximale Umgebungstemperatur berechnen, die Sie erwarten. 40°C sind keine Seltenheit, was 45°C auf satte 85°C ansteigen lassen würde, nichts, was Sie in der Nähe der durchschnittlichen Elektrolytkappe wollen. Was ist auf der anderen Seite? Wie viele Schichten hast du? Vielleicht können Sie einige Spuren in inneren Schichten oder auf der anderen Seite hinzufügen.
@PlasmaHH danke für den Vorschlag, dass es sich um eine 4-Lagen-Leiterplatte handelt. Die andere Seite des Treibers ist ein Induktionsmotor, der direkt zu Erregerspulen führt. Ich werde versuchen, auch eine innere Schicht parallel hinzuzufügen. Es wäre jedoch schön zu wissen, welche maximale Temperatur diese PCB-Leitungen halten können. Ich gehe davon aus, dass die maximale Umgebungstemperatur, die ich erwarten sollte, 45 ° C beträgt, vielleicht mehr. Dies ist ein Motortreiber für ein kleines Batterieauto. Es wird sich im mechanischen Chassis des Autos befinden. Du scheinst erfahren zu sein. Meinst du, ich sollte Berechnungen für maximal 125 °C anstellen?
@ Alper91: Sachen in einem Auto sind ein paar Levels außerhalb meines Erfahrungslevels. Im Allgemeinen scheinen alle Teile „Automobilqualität“ zu sein, was bedeutet, dass sie für höhere Temperaturen ausgelegt, vergossen (sinkende Stromtragfähigkeit) oder konform beschichtet, mechanisch stabiler, höhere Sicherheitsmargen und vieles mehr sein können. Für Qualitätsteile sowieso.
@Alper91 Aus dem Layout sehe ich, dass Sie theoretisch viel Platz haben, um diese 2-mm-Spuren zu erhöhen. Wenn dies nicht möglich ist, können Sie eine Lötmaskenöffnung setzen und diese Leiterbahn verzinnen lassen, sodass ihr effektiver Widerstand verringert wird. Ich schlage vor, auch thermische Simulationen durchzuführen. Der "Online"-PCB-Leiterbahnrechner geht von einer Leiterbahnnäherung mit "unendlicher Länge" aus, daher sind ihre Ergebnisse sehr konservativ. Ich denke, in Ihrem Fall kann ein Teil der Wärme (die dort erzeugt wird, wo die Spuren dünn sind) stattdessen teilweise abgeführt werden, wo die Spuren breiter werden.
Reden wir über ein automobiles Auto mit Menschen darin oder über ein ferngesteuertes Spielzeug?
@Christian Ich weiß nicht, was ein Auto ist, aber dies wird ein Mini-Auto sein, in dem ein oder zwei Personen sitzen können. Die Leiterplattengröße beträgt 60 x 25 cm. Wie BMW Isetta.

Antworten (2)

Ich würde Ihnen empfehlen, Lötmaske auf dieser Spur freizulegen und Lot zu verwenden, um die Spur zu verdicken. Dies ist der übliche Weg, um die Stromfähigkeit einer solchen Leiterbahn zu erhöhen.

Beantwortet aber nicht wirklich die zugrunde liegende Frage. Warum denken Sie, dass es nicht sicher ist, das zu tun, was er tut?
@pipe OP bat um praktische Ratschläge. Es ist nicht sehr gut, irgendeinen Teil der Platine/des Schaltkreises zu belasten. OP gab an, dass 12 A über 2 mm Leiterbahn aufgrund hoher Temperaturen ein Problem darstellen. Es ist offensichtlich, dass meine Antwort eine Lösung dafür bietet.
Es ist überhaupt nicht offensichtlich, dass es gestresst ist .
@pipe Nun, es ist offensichtlich. Es gibt viele Leiterbahnbreitenrechner. OP hat einen davon verwendet. Es ergibt einen Temperaturanstieg von 125 °C. Das ist IMHO Stress.
Kupfer ist ein viel besserer Leiter als Lötzinn, eine Verdickung der Leiterbahn mit Lötzinn hat nur eine sehr geringe Erhöhung der Strombelastbarkeit. Vergleichen Sie einfach die Leitfähigkeit von Kupfer, Zinn und Blei.
@Uwe Die Querschnittsfläche von Lötflecken / -spuren ist viel höher als die von Kupferspuren. Obwohl die Leitfähigkeit des Lötmittels viel höher ist, hilft es immer noch, den Widerstand dieser Leiterbahn zu reduzieren.
Kupferwiderstand 1,68 E-8, Zinn 10,9 E-8, Blei 22,0 E-8. Kupfer ist also 13-mal besser als Blei und 6,5-mal besser als Zinn. Um mit 35 µm Kupfer Schritt zu halten, benötigt man 455 µm Blei und 227,5 µm Zinn.
@Uwe Berechnen Sie jetzt die Querschnittsfläche einer 5 mm breiten Spur und die Querschnittsfläche des Lötflecks / der Lötspur.

Kupferfolie leitet die Wärme vertikal in die Luft oder in darunter liegende Spuren oder Ebenen durch den FR-4.

Und die Kupferfolie bewegt die Wärme seitlich durch die Spur. Der seitliche Wärmewiderstand einer 1 Unze/Fuß^2-Folie beträgt 70 Grad Cent pro Watt pro Quadrat.

Eine Spur von 20 mil mal 200 mil hat 10 Quadrate und der Wärmewiderstand von Ende zu Ende beträgt 10 * 70 = 700 Grad Celsius pro Watt.

Von der Mitte der 200 Mil bis zu beiden Enden werden 350 Grad Celsius pro Watt sein.

Unter der Annahme, dass Wärme gleichmäßig erzeugt wird (eine falsche Annahme, da Kupfer einen Temperaturkoeffizienten von 0,4 % pro Grad Cent hat) und dass Wärme nur entlang der Spur fließt, erhalten Sie einen parabolischen Temperaturanstieg von beiden Enden bis zur Mitte dieser 0,2-Zoll-Spur. Nehmen Sie der Einfachheit halber an, dass in der gesamten 0,2 Zoll langen (20 mil breiten) Leiterbahn 2 Milliwatt Wärme erzeugt werden. Angenommen, 1 mW muss von der Mitte bis zum Ende durch eine 0,1-Zoll-Spur fließen. Der R_thermal beträgt 350 Grad Celsius pro Watt, also nur 3,5 Grad Cent Anstieg.

Zusammenfassung: Für eine Leiterbahn mit einer Breite von 20 Mil, einer Länge von 200 Mil (0,2 Zoll) und einer Verlustleistung von 2 Milliwatt in dieser Leiterbahn beträgt der Anstieg im schlimmsten Fall 350 °C * 1 mW oder nur 3,5 Grad Cent.

Ist es sicher, schmale, aber kurze Leiterbahnen für einen hohen Stromfluss zu verwenden?
AntwortenHierDatenschutz-Bestimmungen1y, 0v