电力电子课程之电缆、电线和PCB

在深入电力电子领域之前，我们将在电力电子课程的第二部分讨论一个关键主题。电缆、电线、PCB和板用于识别能量传输系统，这些系统始终需要正确计算和确定尺寸。

设计人员必须从支撑和布线系统开始创建自己的电路。使用强大的电源组件构建的解决方案，但连接结构和电线的结构很差，很快就会失效。[电力电子课程：简介 – 第 1 集]

介绍

如前一集所述，电流是或多或少的大量电子的流动。由于导体对通道的阻力，它们通过连接和电缆的通道不可避免地会产生热效应。这种效应是由于电子和导体晶格原子之间在微观尺度上的碰撞，称为焦耳效应。通常，随着温度的变化，材料的电阻会发生变化。因此，在导体变得非常热的情况下，耗散功率的估计可能难以计算。如果导体的热膨胀不做机械功，则所提供的能量在导体上转化为热量并分散到周围环境中。调整电流支持的过程对于避免导体本身的熔化至关重要。因此，设计人员必须通过仔细选择电导体材料并正确分析 PCB 尺寸来开始设计过程。事实上，正确的轨道尺寸、导线截面和组件的战略位置是良好电源电路成功的首要因素。导体材料的选择也是效率因素的决定性因素，在任何情况下，这些因素都会影响电路封装参数、重量，尤其是最终成本。事实上，正确的轨道尺寸、导线截面和组件的战略位置是良好电源电路成功的首要因素。导体材料的选择也是效率因素的决定性因素，在任何情况下，这些因素都会影响电路封装参数、重量，尤其是最终成本。事实上，正确的轨道尺寸、导线截面和组件的战略位置是良好电源电路成功的首要因素。导体材料的选择也是效率因素的决定性因素，在任何情况下，这些因素都会影响电路封装参数、重量，尤其是最终成本。

电线电缆

因此，电力系统中电缆部分的尺寸是第一步。电导体的尺寸(截面和直径)与线路中可以承载的最大电流之间存在非常密切的关系。有几个表格和数学公式将这两个参数联系起来，每个设计人员都应始终参考它们，即使对于低功耗项目也是如此。电线的长度是降低其性能的另一个因素。它实际上与电缆的电阻成正比，连接时间越长，两端的电压降越大。使用欧姆定律，可以计算任何参数。欧姆第二定律基于电阻率并指出导体的电阻 R 与其长度成正比，与其截面成反比。基本上，设计师应该牢记三个公式：

在哪里：

R：电阻;

ρ：材料的电阻率;

L：导体长度;

S：导体截面积;

问：热;

P：功率;

t：时间;

I：电流;

ΔT：温度升高;

c：比热;

m：导体的质量。

导体的电阻率可以定义为它为电流通过提供的电阻。电阻率的倒数是电导率，所有涉及的参数也一如既往地取决于温度。导体的电阻还取决于所用材料的电阻率。虽然它们是电流的优良导体，但不同的金属让电子以不同的方式和数量通过。材料的电导率和电阻率包含在一个非常广泛的数值范围内，从良导体到绝缘体，有24个数量级。下表按从最高导电到最低导电的顺序排列，显示了一些材料的电阻率：

设计人员经常选择截面稍大的导体，以确保可用功率完好无损地到达另一端，并且不会在其中不必要地消散。铜是制造电导体最常用的材料之一，这要归功于其非常有利的导电性、可焊性、机械强度、延展性和延展性。铝也是一种广泛使用的金属，尽管它的电阻率比铜大，在相同的电阻下，铝导体的截面比铜导体高 65%。它的延展性也很强，但延展性不是很好。之前说过，如果导体通过电流 I 并在其截面内均匀分布，它会以热量的形式耗散以下功率(以瓦特表示)：

流过导体的电流越大，热量越大。可以通过导体的最大电流是“范围”。电缆的容量是可以通过电导体而不损坏它的电流量。一般规则建议电缆每50米增加一节。如果超过此参数，导体可能会经历过度加热过程甚至熔化。导体温度由以下因素决定：

它的电阻;

流过它的电流的平方;

环境温度。

当然，如果电缆是绝缘的，还必须考虑其他标准。横截面为 0.5 mm ^ 2 和 0.75 mm ^ 2 的电缆由于太细而被禁止用于 230 V 连接。它们只能用于低压设备，例如防盗报警系统、家庭报警器或连接对讲机和视频对讲机。图 1中所示的表格及其相关图表非常具有指示性，并显示了导体可以承受的最大电流。显然，对于认证和政府法律，有必要查阅最适合各种情况的表格，同时考虑各个国家的规定。

图 1：不同尺寸的铜电线允许的最大电流。

使用这些参数，可以采用使相对计算更容易和更简单的方程：

更好的是，使用更强大的“产量密度模型/指数加线性”模型：

在哪里：

a = 38.00320788304612

b = -40.25848017691337

c = 1.745093760925298

r = 0.8549366506676881

在进行电线测量时，通常使用后缀 AWG。它代表“美国线规”，是一种标准化系统，于 1857 年设计，用于测量圆形导体的横截面或直径。它在美国和加拿大很普遍。较大的 AWG 值对应于较小的线径。有特殊的表格可以将电缆的截面和直径转换为 AWG，反之亦然。

电力电子中的 PCB

通常，设计人员只关注电源组件和最大化使用能量的最佳技术。但是他们忘记了研究最好的 PCB 解决方案及其相关的最佳电子元件布置。最近，项目已经基于采用能够承受大工作功率的高度集成的组件。高电流和电压的管理需要非常复杂的技术挑战。印刷电路板是热量必须通过的第一个障碍，它们需要以最佳方式进行设计。设计人员必须考虑各个方面，例如，轨道的最佳位置、最佳间距，最重要的是，它们在以最佳方式运行的同时承受高电流的能力。第一个基本规则涉及以初步的方式突出显示，最大功率路径以及将填充它们的功率组件。事实上，轨道会受到高温的影响，并且由于铜的高导电性和导热性，高温很容易侵入电路的所有区域。为了使走线的计算和分析复杂化，还有其他参数，例如 PCB 使用的材料、设计周围的环境温度、板上组件的密度以及使用的冷却技术. 元器件的定位也决定了大功率电路的成败。在特别关键的热条件下工作的那些必须均匀分布在电路上以改善热管理。设计师必须特别注意轨道的路径。必须考虑与电流和温度升高相关的斜坡的最小宽度。如果可能的话，与技术上可能的最小宽度相比，稍微增加轨道的宽度总是更好。走线的计算不仅涉及其宽度，还涉及铜的厚度。具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表 具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表 具有较大铜厚度的集管允许在相同条件下减小它们的宽度。下表(见图表图 2)显示了印刷电路走线的最小宽度，知道必须通过它的电流。同一张表是指铜厚为 35 微米的 PCB，最大期望温升为 10°C。

图 2：该图显示了与传输中电流相关的走线宽度

显然，对于 10 A 以上的电流，采用其他方法比使用简单的 PCB 更方便。设计师可以使用的一个方便的公式，记住采用 35 微米的铜厚度，如下所示：

在图 3中，我们可以观察到与 USB 随身碟相比，PCB 走线的各种宽度的一些表示。该图还显示了最常见电缆的直径，以及它们支持的电流。

图 3：不同尺寸的 PCB 轨道和电缆

另一方面，图 4显示了由不同宽度的铜迹线形成的假设 PCB 的模拟。它们通过相同的电流值，尽管受到相同的对流冷却，但它们的工作温度不同。简而言之，可以看出，较宽的轨道保持较冷，传输和对流冷却的电流相同。

图 4：当流过相同数量的电流时，PCB 中铜迹线的不同行为。

结论

在电源电路的计算和分析中，通常会忽略电缆和 PCB。

设计师应该特别注意它们，因为有效的设计有助于避免许多没有扎实的初步准备就无法解决的问题。

　　审核编辑：汤梓红