實(shí)現電路板連接線(xiàn)的規格化

實(shí)現電路板連接線(xiàn)的規格化

導線(xiàn)的規格參數可以很容易地從各種資料中獲得，但如何用這些參數來(lái)計算印制板連接線(xiàn)的電阻呢？本文將介紹在PCB設計中利用導線(xiàn)規格與印制板連接線(xiàn)尺寸之間的關(guān)系，以及電阻與尺寸及溫度之間的函數關(guān)系來(lái)計算連接線(xiàn)的電阻。

從各種出版物和手冊中可以獲得與尺寸相關(guān)的導線(xiàn)電氣參數(通常稱(chēng)為導線(xiàn)規格)的大量信息。但如何用這些信息來(lái)分析印刷電路板連接線(xiàn)參數的資料卻很少。下文將介紹導線(xiàn)規格和連接線(xiàn)面積之間的關(guān)系，以及如何利用連接線(xiàn)電阻與尺寸和溫度之間的函數關(guān)系。

背景資料

美國導線(xiàn)規格(AWG)體系于1857年由J.R. Brown建立，稱(chēng)為Brown Sharp (BS)規格。從導線(xiàn)的生產(chǎn)工藝可以知道，導線(xiàn)是通過(guò)一系列直徑逐漸減小的孔拉制而成，導線(xiàn)的規格大致反映了拉制所需要的步驟數。例如一個(gè)規格為24的導線(xiàn)比規格為20的導線(xiàn)多拉4次。表中所列為目前導線(xiàn)規格及其相應的直徑和橫截面面積。

在所有的資料中并沒(méi)有對這些步驟進(jìn)行具體定義，但有一點(diǎn)是一致的：規格0000 (4/0)，其直徑定義為0.4600英寸；規格36，其直徑為0.0050英寸。其它規格的幾何尺寸都介于兩點(diǎn)之間。如果這些尺寸均勻分布，則任何兩個(gè)相鄰直徑之間的比值可由下式得出(注意：在規格0000和規格36之間共有39級)。

實(shí)際上，各規格的直徑并不是均勻分布的。表中任何兩個(gè)相鄰直徑之間的比值與該公式的計算結果很相近，但多級后就會(huì )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(shí)際值。

計算方程式

在直徑、直徑常用對數與導線(xiàn)規格的曲線(xiàn)圖中，可見(jiàn)直徑的增長(cháng)有一定規則，導線(xiàn)直徑的對數與導線(xiàn)規格曲線(xiàn)幾乎是直線(xiàn)。該曲線(xiàn)的方程為：規格 = -9.6954 - 19.8578×Log10(d)，其中d為導線(xiàn)直徑，單位為英寸。

印制板連接線(xiàn)的橫截面是長(cháng)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。

當導線(xiàn)的橫截面面積已知時(shí)，通過(guò)上式可以計算出等效的導線(xiàn)規格。相反地，在導線(xiàn)規格已知時(shí)，通過(guò)下式可以計算出連接線(xiàn)的橫截面面積：面積 = l/(10(10×規格- 10.8))

導線(xiàn)電阻
在導線(xiàn)規格表中常會(huì )提供相關(guān)規格的一些參數值。通過(guò)這些參數值可以估計某一長(cháng)度導線(xiàn)的電阻。而連接線(xiàn)電阻的計算比導線(xiàn)電阻的計算稍微復雜。每種金屬都有一個(gè)電阻系數(有時(shí)也稱(chēng)為特征電阻)，電阻系數、導線(xiàn)長(cháng)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為導線(xiàn)長(cháng)度, a為橫截面面積。電阻系數的單位由歐姆和長(cháng)度單位來(lái)表示。純銅的電阻系數通常為：ρ=1.724 (微歐-厘米)或ρ=0.6788 (微歐-厘米)

用該參數可以計算出任何銅連接線(xiàn)的電阻，即用電阻系數除以連接線(xiàn)的橫截面面積，并乘以連接線(xiàn)長(cháng)度。但是必須注意，電阻系數隨溫度變化，通常所給的電阻系數為20℃時(shí)的電阻系數。因此，用該電阻系數計算出的電阻值為20℃環(huán)境溫度下的電阻。

連接線(xiàn)的電阻隨溫度而增大，稱(chēng)為“電阻溫度系數”的參數可表明這種變化的大小，用下式可計算出該參數對電阻大小的影響：R2/R1 = 1 + 0.00393×(T2-T1)

其中R1和T1分別為基準電阻和基準溫度(單位為℃)。T2是新溫度，R2是在新溫度下的電阻。

所有這些計算很繁瑣。UltraCAD Design公司推出了一種免費的計算工具，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(xiàn)的等效導線(xiàn)規格、厚度或寬度中任意兩個(gè)參數條件下，可以計算出另一個(gè)參數。它還可以在給定長(cháng)度和溫度的情況下計算連接線(xiàn)的電阻，在給定電流時(shí)計算連接線(xiàn)上的電壓降。

焊錫層

最后，我們分析一下焊錫層對連接線(xiàn)電阻的改變。任何導體的電阻都是其電阻系數的函數，分析時(shí)可將連接線(xiàn)和焊錫層視為并聯(lián)導體。假設焊錫層和連接線(xiàn)具有相同的寬度和長(cháng)度，只需考慮連接線(xiàn)和焊錫層的厚度。

銅的電阻系數為1.724微歐-厘米，而錫的電阻系數為11.5微歐-厘米，比銅高出6.7倍。鉛的電阻系數為22微歐-厘米，比銅約高出13倍。因此，根據焊錫中錫和鉛的含量比例，焊錫層的電阻系數約比相同厚度的銅連接線(xiàn)高10倍。

由于導體之間的分流大小與電阻成反比，在相同厚度的銅線(xiàn)和焊錫層下，約90%的電流流過(guò)銅線(xiàn)(剩余的電流通過(guò)焊錫層)。因此，通常在非精確測量時(shí)可以忽略焊錫層對連接線(xiàn)電阻和壓降的影響。