提高设备承受浪涌和瞬态电流的能力

EMC不仅与射频频率有关，它也与瞬态和浪涌有关。经常会遇到的一个问题是PCB线条所能承受的、流经各个电路或保护器件中的瞬态和浪涌电流。当一个导体（导线或PCB线条）被要求能够承受一个瞬态或浪涌电流时，我们可以使用下列的估算公式来估算它所能承受的最大电流：

式中I——电流，单位为安培（A）；

CSA——铜的横截面积，单位为平方毫米（mm²）；

t——熔丝熔断时间，单位为秒（s）。

上列估算公式仅适用于时间t不大于5s的情况。当过电流周期超过1s时，热对流和热传导效应开始变得显著起来。此时，在相同温度上升的条件下，由这些因素所造成的电流上升速率的增加要求使用远为复杂的计算公式。

值得注意的是，0.5oz的铜箔加工完成后的厚度为17.5μm，1oz的铜箔厚度为35μm，2oz的铜箔厚度为70μm，以及3oz的铜箔厚度为105μm。用加工完成后的铜箔厚度乘以线条宽度给出了上式所需要的横截面积（CSA）。

例如，一根具有0.18mm（0.007in）宽度、1oz铜箔上、35μm厚度的线条中出现一个时间周期为40μs的矩形电流浪涌。根据上式，该线条所承受的最大瞬态或浪涌电流（在熔断以前）大约为290A。这里所使用的为普通双幂指数单向浪涌测试波形。并将它们的衰减时间规定在50%的那一点上。换句话说，若将这个时间加倍的话，它将会具有近似于一个矩形浪涌波形所产生的加热效应。

美国保险商实验所（Underwriters Laboratory，UL）执行一些它自己的测试（Milton Hilliard，Compliance Engineering，January/February2003），并给出在不导致线条开路前提下所能承受的最大电流能力的参考数据。该文献中的图7和图8就特别给出了这些参考值。它们与上式的估算结果相当一致（请读者注意：该文献的图7和图8中的x轴标注的为线条厚度，但实际上应为线条宽度）。

上述的讨论中，仅考虑了铜的瞬间或浪涌电流的承载能力。但在铜线条被熔化以前，它将会产生大量的热，并且线条本身的温度也会由此而变得很高。在这样的高温条件下不免会损坏到导线绝缘和PCB介质，并可能会引起叠层间的黏合力变弱，而导致PCB的可靠性降低问题。

有些制造厂商或供应商会向用户提供导线的瞬态电流的参考数据。典型的是1s周期的电流浪涌。一个具有0.5mm²横截面积，采用标准聚氯乙烯（PVC）绝缘材料、正常运行温度为25℃的导线，它的1s周期的典型额定电流值为55A。这个电流不会造成铜导线的温度上升到超过PVC短时间运行的160℃的额定温度值（用于连续运行的标准PVC的额定运行温度为70℃）。

瞬态电流的额定值（t<5s）正比于导体的CSA，反比于电流维持周期的平方根。也就是说，维持周期为t的额定电流为(www.xing528.com)

在设计PCB布局过程中，如果缺少适当的参考数据时，我们有可能选用FR4或类似的材料作为基板的PCB的有关指导值，因为它们的连续运行的最大工作温度与PVC材料相类似。

将这个指导性原则用于上面所讨论的线条例子中：0.18mm（0.007in）宽的、1oz（完成后的）铜材的厚度为35μm的线条以及承受的持续矩形电流浪涌周期为40μs。我们发现，当正常运行温度为25℃时，高达100A的重复瞬态或浪涌电流将不会造成FR4 PCB的损坏。当然，这里一个假定的前提是：瞬态或浪涌电流的重复率要允许线条冷却到25℃。

当一个过电流超过上面所给出的参考性指导值时，为了保护一根线条或PCB，我们推荐使用一个熔丝。但即便使用的是熔断最快的熔丝，它也不能在短于10ms的时间内做出响应（熔断）。就EMC来说，这个响应时间是一个非常缓慢的瞬态或浪涌。并且我们都知道，所有的熔丝的响应速度都具有允差。因此在设计过程中，应假定所安装的熔丝具有最为缓慢响应时间来考虑，以此来留有足够的工程裕量。在图2-6-12中所显示的就是这样的一个例子（虽然图中的例子使用的是导线，而不是线条，但原理则是完全一样的）。

图2-6-12 保护一个0.5mm² PVC绝缘导线时8A的IEC 60217熔丝的工作范围

铜的熔化温度非常高。所以，任何高达100℃的工作温度几乎不会对它的熔化额定电流产生任何影响。但是，倘若我们希望了解不会对塑料绝缘材料或PCB介质的熔化产生影响的最大额定电流则完全是另外一回事。

当要计算高于25℃的正常工作温度所允许的最大电流时，请读者注意，线条在最大的绝缘温度（即160℃）下所允许的电流为零。还有，一个电流的热效应是与它的电流值的二次方成正比的。因此在上面的例子中，假如工作温度是60℃，而不是25℃时，在线条温度超过160℃以前所允许的最大电流将会从100A降至86A。

还有一些按工作温度分类的高温等级的FR4和其他介质材料可供选择使用。在采用这些材料的情况下，线条所允许携载的瞬态或浪涌电流要比一般的参考数据要高。另一方面，还有一些类型的PCB介质材料，它们具有比FR4要低的短时温度电流额定值。因此，在选用这些材料时，假如不希望由于线条的高温而损坏PCB的话，则要求线条携载比一般参考值所建议的要低的瞬态或浪涌电流。

最好是使用UL认可的或批准的PCB材料。特别是为防止火警、烟雾和有毒气体的产生而出现安全问题。所以我们建议，所使用的PCB材料应具有UL认可和批准文件的材料。并不是所有供应商都能够提供他们所承诺的材料。因此入库时要对所有PCB材料进行验收检查，以确保它们的确具有UL标志。