王大然，鄭艷萍， 劉鳳軍， 李 強

（1.鄭州大學機械與動力工程學院，河南 鄭州 450001；2.河南天海電器有限公司，河南 鶴壁 458030）

1 引言

隨著中國汽車工業(yè)的飛速發(fā)展，客戶對汽車性能的要求也越來越高，由于技術(shù)的進步和人們生活水平的提高，汽車廠的整車設(shè)計增加了很多安全性以及娛樂性的功能，也不乏一些大功率負載的增加，由于功率部件的增加，導致中央電器盒所需要承載的電流也越來越大。這對PCB設(shè)計來說提出了新的挑戰(zhàn)：既要承載大功率負載的情況下滿足特定溫升，又需要盡量縮減尺寸節(jié)省空間。在這個背景下，PCB承載能力與負載電流的關(guān)系研究就顯得格外有必要。本文提供了PCB覆銅寬度和電流承載能力關(guān)系的分析方法，以供工程設(shè)計時使用。

2 PCB覆銅寬度和電流承載能力關(guān)系驗證方法

2.1 PCB樣板驗證

依據(jù)汽車中央電器盒的各個功能實際情況，負載電流一般在0～30A的范圍，因此選取幾個典型的數(shù)值進行實驗驗證，所選取的電流值為5A／10A／15A／20A／25A／30A，下面以5A的電流、溫升30℃為例，實驗驗證PCB覆銅寬度與PCB溫升的關(guān)系［1］。

按照不同覆銅寬度進行PCB樣板設(shè)計，如圖1所示。

圖1 PCB樣板

通過熱電偶、溫度采集儀、電子負載結(jié)合，進行溫升試驗，收集溫升數(shù)據(jù)：在高溫試驗箱中，模擬汽車工作實際情況進行溫度設(shè)定，確認連接良好的情況下開始接通電源，試驗箱溫度從室溫逐漸升溫，過程數(shù)據(jù)中溫度從室溫直至試驗箱溫度，再從試驗箱溫度逐漸升溫，最終達到熱平衡，此時的溫度為實際需要數(shù)據(jù)。試驗所得電流、覆銅寬度、溫升數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 試驗所得電流、覆銅寬度、溫升數(shù)據(jù)

2.2 設(shè)計PCB產(chǎn)品

某些參考值需要進行計算得出，以回路為8A電流為例，可進行如下計算，詳見表2。

Xi（A）：5 10 15 20 25 30

Yi（mm）：2.6 5.5 8.7 13.5 16.2 22

表2 參考值計算表

設(shè)Y（X）=a0+a1X+a2X2

相應的法方程為：

解上述法方程得：a0≈-2.183655，a1≈0.774847，a2≈0.000107，所以：Y（X）=a0+a1X+a2X2=-2.183655+0.774847X+0.000107X2

將所需要求解的8A電流帶入上述公式，Y（8）=-2.183655+0.774847X+0.000107X2=4.021969≈4mm。

按照上述方程求解各個負載回路所需的覆銅寬度。按照此覆銅寬度進行PCB設(shè)計，綜合實驗驗證標準，設(shè)計版［2-3］如圖2所示。

圖2 PCB版圖

2.3 CAE分析

對上述產(chǎn)品進行數(shù)據(jù)建模，進行CAE熱仿真［4］如圖3所示。

依據(jù)上述CAE仿真溫升云圖得出溫升數(shù)值如表3所示。

2.4 產(chǎn)品溫升驗證

對產(chǎn)品總成依據(jù)加載時序進行溫升試驗，采集CAE分析相同的點位溫升數(shù)據(jù)如表4所示。

表3 CAE仿真溫升云圖得出溫升數(shù)值表

圖3 CAE熱仿真云圖

表4 采集CAE分析相同的點位溫升數(shù)據(jù)表

2.5 結(jié)果分析

對CAE熱仿真結(jié)果中的溫升數(shù)據(jù)和產(chǎn)品實物溫升數(shù)據(jù)進行分析對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CAE熱仿真與實物溫升對比

從圖4中可看出，CAE熱仿真結(jié)果和產(chǎn)品實物溫升結(jié)果溫升趨勢基本一致。

3 結(jié)論

依據(jù)樣板驗證、CAE分析以及產(chǎn)品實物驗證的方式，可以驗證PCB覆銅寬度和電流間的關(guān)系，為PCB設(shè)計提供了依據(jù)。