王大然，鄭艷萍， 劉鳳軍， 李 強(qiáng)

（1.鄭州大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)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(jìn)步和人們生活水平的提高，汽車廠的整車設(shè)計(jì)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(fù)載的增加，由于功率部件的增加，導(dǎo)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(jì)來說提出了新的挑戰(zhàn)：既要承載大功率負(fù)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(gè)背景下，PCB承載能力與負(fù)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(jì)時(shí)使用。

2 PCB覆銅寬度和電流承載能力關(guān)系驗(yàn)證方法

2.1 PCB樣板驗(yàn)證

依據(jù)汽車中央電器盒的各個(gè)功能實(shí)際情況，負(fù)載電流一般在0～30A的范圍，因此選取幾個(gè)典型的數(shù)值進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)驗(yàn)證PCB覆銅寬度與PCB溫升的關(guān)系［1］。

按照不同覆銅寬度進(jìn)行PCB樣板設(shè)計(jì)，如圖1所示。

圖1 PCB樣板

通過熱電偶、溫度采集儀、電子負(fù)載結(jié)合，進(jìn)行溫升試驗(yàn)，收集溫升數(shù)據(jù)：在高溫試驗(yàn)箱中，模擬汽車工作實(shí)際情況進(jìn)行溫度設(shè)定，確認(rèn)連接良好的情況下開始接通電源，試驗(yàn)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(yàn)箱溫度，再從試驗(yàn)箱溫度逐漸升溫，最終達(dá)到熱平衡，此時(shí)的溫度為實(shí)際需要數(shù)據(jù)。試驗(yàn)所得電流、覆銅寬度、溫升數(shù)據(jù)詳見表1。

表1 試驗(yàn)所得電流、覆銅寬度、溫升數(shù)據(jù)

2.2 設(shè)計(jì)PCB產(chǎn)品

某些參考值需要進(jìn)行計(jì)算得出，以回路為8A電流為例，可進(jìn)行如下計(jì)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(jì)算表

設(shè)Y（X）=a0+a1X+a2X2

相應(yīng)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(gè)負(fù)載回路所需的覆銅寬度。按照此覆銅寬度進(jìn)行PCB設(shè)計(jì)，綜合實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)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(jìn)行數(shù)據(jù)建模，進(jìn)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(yàn)證

對產(chǎn)品總成依據(jù)加載時(shí)序進(jìn)行溫升試驗(yàn)，采集CAE分析相同的點(diǎn)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(diǎn)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(shí)物溫升數(shù)據(jù)進(jìn)行分析對比，結(jié)果如圖4所示。

圖4 CAE熱仿真與實(shí)物溫升對比

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

3 結(jié)論

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