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PCB设计教程过孔载流能力分析

2019年10月08日 17:10

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作为一个做PCB设计的新手,在刚学PCB设计教程时,经常会由于电源通道处理不当(过孔数量打的不够、电源通道路径不够宽),而导致PCB设计不合格,生产出来的PCB报废。那么,我们在做PCB设计时电源通道处过孔需要怎么打哪个类型的?过孔数量要打多少个?本篇文章将给大家作一些详细的介绍。

过孔定义:

过孔也称金属化孔。在双面板和多层板中,为连通各层之间的印制导线,在各层需要连通的导线的交汇处钻上一个公共孔,即过孔。过孔的参数主要有孔的外径和钻孔尺寸。

一般我们常规的PCB板生产都是按IPC2级标准生产,生产的孔铜厚度一般为0.8mil到1mil左右(大家可以查一下IPC2级标准的具体内容)。生产时大家以为的生产出来的过孔是这个理想的情况(如下图示),孔的大小规整,孔铜厚度非常匀称

PCB教程 

理想很丰满,不过现实却。。。。。。。实际我们生产出来的PCB上的过孔是这种情况(下图示,生产质量较好的情况下)。

PCB培训 

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大家可以看到,一般生产出来的PCB的过孔孔壁的镀铜厚度可能上下宽,中间窄,所以最窄的地方极限可能是0.7mil。现在,我们可以基于最窄孔铜厚度来计算温升在10度情况下(常规PCB使用情况下),我们所使用的不同大小过孔的载流能力,结果如下图示:

image.png 

看到上面表格,大家是不是会产生疑问:我们做PCB设计时,在处理电源时用大的孔径(16mil、20mil)就好了,可以保证其通流能力。但为什么一般都使用10mil、12mil过孔呢?理由有以下几个:

1、 对于常规板,用10mil、12mil过孔是可以满足其承载电流的能力的。

2、 用10mil、12mil过孔,在做PCB设计时,设计效率会更高,方便我们设计。

我们知道单个过孔载流能力,是不是直接用公式除一下电流设计值然后就可以得到相应过孔数量,在设计时打此数量就可以保证设计安全性呢?我们来看一下某公司的仿真案例:

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20A电流,打了20个12mil过孔,按照每个孔承载1.2A来计算,应该非常安全。但是实际上电流并没有你想象的听话,并不是在20个过孔里面平均分配的。简单的DC仿真,就可以看到过孔电流的情况。有些过孔走了2.4A的电流,有些才200mA。当然,这个设计可能最终并不会有太大风险。因为12mil的过孔在温升30度的时候是可以承载2A以上电流的。但是,如果不均匀性进一步放大呢?这个是和你电流的通道,过孔的分布、数量都有关系的,万一某个过孔走了3A甚至4A的电流呢?并且这时候你打25个或者30个过孔,只要没有在电流的关键位置,提供的帮助并不会很大。原因就是电流没有你想象的听话,不是均匀分布。这个结论在确定铜皮宽度时也是成立的。我们从很多的仿真结果都能发现,当大电流设计在一层铜皮不够用的情况下,多增加一层来走电流,电流也并不会平均分配。一般我们在做设计的时候会考虑在电源通道多打几个过孔,虽然不能完全确认打的过孔有效,但考虑到生产的因素,比如生产时电源通道某个过孔会由于生产不合格而失效,多打的过孔有一定的补充作用。