電力電子課程之電纜、電線和PCB

在深入電力電子領(lǐng)域之前，我們將在電力電子課程的第二部分討論一個(gè)關(guān)鍵主題。電纜、電線、PCB和板用于識(shí)別能量傳輸系統(tǒng)，這些系統(tǒng)始終需要正確計(jì)算和確定尺寸。

設(shè)計(jì)人員必須從支撐和布線系統(tǒng)開(kāi)始創(chuàng)建自己的電路。使用強(qiáng)大的電源組件構(gòu)建的解決方案，但連接結(jié)構(gòu)和電線的結(jié)構(gòu)很差，很快就會(huì)失效。[電力電子課程：簡(jiǎn)介 – 第 1 集]

介紹

如前一集所述，電流是或多或少的大量電子的流動(dòng)。由于導(dǎo)體對(duì)通道的阻力，它們通過(guò)連接和電纜的通道不可避免地會(huì)產(chǎn)生熱效應(yīng)。這種效應(yīng)是由于電子和導(dǎo)體晶格原子之間在微觀尺度上的碰撞，稱(chēng)為焦耳效應(yīng)。通常，隨著溫度的變化，材料的電阻會(huì)發(fā)生變化。因此，在導(dǎo)體變得非常熱的情況下，耗散功率的估計(jì)可能難以計(jì)算。如果導(dǎo)體的熱膨脹不做機(jī)械功，則所提供的能量在導(dǎo)體上轉(zhuǎn)化為熱量并分散到周?chē)h(huán)境中。調(diào)整電流支持的過(guò)程對(duì)于避免導(dǎo)體本身的熔化至關(guān)重要。因此，設(shè)計(jì)人員必須通過(guò)仔細(xì)選擇電導(dǎo)體材料并正確分析 PCB 尺寸來(lái)開(kāi)始設(shè)計(jì)過(guò)程。事實(shí)上，正確的軌道尺寸、導(dǎo)線截面和組件的戰(zhàn)略位置是良好電源電路成功的首要因素。導(dǎo)體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會(huì)影響電路封裝參數(shù)、重量，尤其是最終成本。事實(shí)上，正確的軌道尺寸、導(dǎo)線截面和組件的戰(zhàn)略位置是良好電源電路成功的首要因素。導(dǎo)體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會(huì)影響電路封裝參數(shù)、重量，尤其是最終成本。事實(shí)上，正確的軌道尺寸、導(dǎo)線截面和組件的戰(zhàn)略位置是良好電源電路成功的首要因素。導(dǎo)體材料的選擇也是效率因素的決定性因素，在任何情況下，這些因素都會(huì)影響電路封裝參數(shù)、重量，尤其是最終成本。

電線電纜

因此，電力系統(tǒng)中電纜部分的尺寸是第一步。電導(dǎo)體的尺寸(截面和直徑)與線路中可以承載的最大電流之間存在非常密切的關(guān)系。有幾個(gè)表格和數(shù)學(xué)公式將這兩個(gè)參數(shù)聯(lián)系起來(lái)，每個(gè)設(shè)計(jì)人員都應(yīng)始終參考它們，即使對(duì)于低功耗項(xiàng)目也是如此。電線的長(zhǎng)度是降低其性能的另一個(gè)因素。它實(shí)際上與電纜的電阻成正比，連接時(shí)間越長(zhǎng)，兩端的電壓降越大。使用歐姆定律，可以計(jì)算任何參數(shù)。歐姆第二定律基于電阻率并指出導(dǎo)體的電阻 R 與其長(zhǎng)度成正比，與其截面成反比?；旧希O(shè)計(jì)師應(yīng)該牢記三個(gè)公式：

在哪里：

R：電阻;

ρ：材料的電阻率;

L：導(dǎo)體長(zhǎng)度;

S：導(dǎo)體截面積;

問(wèn)：熱;

P：功率;

t：時(shí)間;

I：電流;

ΔT：溫度升高;

c：比熱;

m：導(dǎo)體的質(zhì)量。

導(dǎo)體的電阻率可以定義為它為電流通過(guò)提供的電阻。電阻率的倒數(shù)是電導(dǎo)率，所有涉及的參數(shù)也一如既往地取決于溫度。導(dǎo)體的電阻還取決于所用材料的電阻率。雖然它們是電流的優(yōu)良導(dǎo)體，但不同的金屬讓電子以不同的方式和數(shù)量通過(guò)。材料的電導(dǎo)率和電阻率包含在一個(gè)非常廣泛的數(shù)值范圍內(nèi)，從良導(dǎo)體到絕緣體，有24個(gè)數(shù)量級(jí)。下表按從最高導(dǎo)電到最低導(dǎo)電的順序排列，顯示了一些材料的電阻率：

設(shè)計(jì)人員經(jīng)常選擇截面稍大的導(dǎo)體，以確?？捎霉β释旰脽o(wú)損地到達(dá)另一端，并且不會(huì)在其中不必要地消散。銅是制造電導(dǎo)體最常用的材料之一，這要?dú)w功于其非常有利的導(dǎo)電性、可焊性、機(jī)械強(qiáng)度、延展性和延展性。鋁也是一種廣泛使用的金屬，盡管它的電阻率比銅大，在相同的電阻下，鋁導(dǎo)體的截面比銅導(dǎo)體高 65%。它的延展性也很強(qiáng)，但延展性不是很好。之前說(shuō)過(guò)，如果導(dǎo)體通過(guò)電流 I 并在其截面內(nèi)均勻分布，它會(huì)以熱量的形式耗散以下功率(以瓦特表示)：

流過(guò)導(dǎo)體的電流越大，熱量越大?？梢酝ㄟ^(guò)導(dǎo)體的最大電流是“范圍”。電纜的容量是可以通過(guò)電導(dǎo)體而不損壞它的電流量。一般規(guī)則建議電纜每50米增加一節(jié)。如果超過(guò)此參數(shù)，導(dǎo)體可能會(huì)經(jīng)歷過(guò)度加熱過(guò)程甚至熔化。導(dǎo)體溫度由以下因素決定：

它的電阻;

流過(guò)它的電流的平方;

環(huán)境溫度。

當(dāng)然，如果電纜是絕緣的，還必須考慮其他標(biāo)準(zhǔn)。橫截面為 0.5 mm ^ 2 和 0.75 mm ^ 2 的電纜由于太細(xì)而被禁止用于 230 V 連接。它們只能用于低壓設(shè)備，例如防盜報(bào)警系統(tǒng)、家庭報(bào)警器或連接對(duì)講機(jī)和視頻對(duì)講機(jī)。圖 1中所示的表格及其相關(guān)圖表非常具有指示性，并顯示了導(dǎo)體可以承受的最大電流。顯然，對(duì)于認(rèn)證和政府法律，有必要查閱最適合各種情況的表格，同時(shí)考慮各個(gè)國(guó)家的規(guī)定。

圖 1：不同尺寸的銅電線允許的最大電流。

使用這些參數(shù)，可以采用使相對(duì)計(jì)算更容易和更簡(jiǎn)單的方程：

更好的是，使用更強(qiáng)大的“產(chǎn)量密度模型/指數(shù)加線性”模型：

在哪里：

a = 38.00320788304612

b = -40.25848017691337

c = 1.745093760925298

r = 0.8549366506676881

在進(jìn)行電線測(cè)量時(shí)，通常使用后綴 AWG。它代表“美國(guó)線規(guī)”，是一種標(biāo)準(zhǔn)化系統(tǒng)，于 1857 年設(shè)計(jì)，用于測(cè)量圓形導(dǎo)體的橫截面或直徑。它在美國(guó)和加拿大很普遍。較大的 AWG 值對(duì)應(yīng)于較小的線徑。有特殊的表格可以將電纜的截面和直徑轉(zhuǎn)換為 AWG，反之亦然。

電力電子中的 PCB

通常，設(shè)計(jì)人員只關(guān)注電源組件和最大化使用能量的最佳技術(shù)。但是他們忘記了研究最好的 PCB 解決方案及其相關(guān)的最佳電子元件布置。最近，項(xiàng)目已經(jīng)基于采用能夠承受大工作功率的高度集成的組件。高電流和電壓的管理需要非常復(fù)雜的技術(shù)挑戰(zhàn)。印刷電路板是熱量必須通過(guò)的第一個(gè)障礙，它們需要以最佳方式進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)人員必須考慮各個(gè)方面，例如，軌道的最佳位置、最佳間距，最重要的是，它們?cè)谝宰罴逊绞竭\(yùn)行的同時(shí)承受高電流的能力。第一個(gè)基本規(guī)則涉及以初步的方式突出顯示，最大功率路徑以及將填充它們的功率組件。事實(shí)上，軌道會(huì)受到高溫的影響，并且由于銅的高導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，高溫很容易侵入電路的所有區(qū)域。為了使走線的計(jì)算和分析復(fù)雜化，還有其他參數(shù)，例如 PCB 使用的材料、設(shè)計(jì)周?chē)沫h(huán)境溫度、板上組件的密度以及使用的冷卻技術(shù). 元器件的定位也決定了大功率電路的成敗。在特別關(guān)鍵的熱條件下工作的那些必須均勻分布在電路上以改善熱管理。設(shè)計(jì)師必須特別注意軌道的路徑。必須考慮與電流和溫度升高相關(guān)的斜坡的最小寬度。如果可能的話，與技術(shù)上可能的最小寬度相比，稍微增加軌道的寬度總是更好。走線的計(jì)算不僅涉及其寬度，還涉及銅的厚度。具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見(jiàn)圖表 具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見(jiàn)圖表 具有較大銅厚度的集管允許在相同條件下減小它們的寬度。下表(見(jiàn)圖表圖 2)顯示了印刷電路走線的最小寬度，知道必須通過(guò)它的電流。同一張表是指銅厚為 35 微米的 PCB，最大期望溫升為 10°C。

圖 2：該圖顯示了與傳輸中電流相關(guān)的走線寬度

顯然，對(duì)于 10 A 以上的電流，采用其他方法比使用簡(jiǎn)單的 PCB 更方便。設(shè)計(jì)師可以使用的一個(gè)方便的公式，記住采用 35 微米的銅厚度，如下所示：

在圖 3中，我們可以觀察到與 USB 隨身碟相比，PCB 走線的各種寬度的一些表示。該圖還顯示了最常見(jiàn)電纜的直徑，以及它們支持的電流。

圖 3：不同尺寸的 PCB 軌道和電纜

另一方面，圖 4顯示了由不同寬度的銅跡線形成的假設(shè) PCB 的模擬。它們通過(guò)相同的電流值，盡管受到相同的對(duì)流冷卻，但它們的工作溫度不同。簡(jiǎn)而言之，可以看出，較寬的軌道保持較冷，傳輸和對(duì)流冷卻的電流相同。

圖 4：當(dāng)流過(guò)相同數(shù)量的電流時(shí)，PCB 中銅跡線的不同行為。

結(jié)論

在電源電路的計(jì)算和分析中，通常會(huì)忽略電纜和 PCB。

設(shè)計(jì)師應(yīng)該特別注意它們，因?yàn)橛行У脑O(shè)計(jì)有助于避免許多沒(méi)有扎實(shí)的初步準(zhǔn)備就無(wú)法解決的問(wèn)題。

　　審核編輯：湯梓紅