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深入浅出谈谈电源压降的问题

来源:一博科技   更新时间:2019-03-04 16:05:17    

  在PCB设计中,电源是不可忽略的一个话题,尤其是现在很多产品的电源电压越来越低,电流越来越大,动辄几百安培,所以现在大家对电源完整性也就越来越关注,这篇重点讲下电源压降的一些问题。

  理论上来讲,计算压降,应用到的应该是初中的物理知识,电源压降<V*tolerance=I*R(直流电阻),可以说是非常简单了。减小压降方法也是众所周知,只要减小电源路径及回流路径上的直流阻抗就好。所以在PCB设计的时候,layout工程师肯定经常听到下面的要求:

  “XX工,麻烦把这些8mil的小孔换成16mil的大孔。”

  “XX工,这个电源不能多次换层,麻烦调整下。”

  “XX工,这个电源层换成2OZ铜箔。”

  很多自信的工程师估计会想,不就是载流能力吗,我都按照经验公式算好了过孔数量和铜皮宽度的,电源肯定妥妥的,不可能有问题的,我已经过了会随随便便被驴的年纪了。

  实际上,压降就只看用电端的电压大小吗?并不是,电源压降是一个牵一发而动全身的系统,修改系统中的任何一个参数都会影响最终的结果。想要了解这个系统,就要知道电源的流向。

  如图所示,上面是一个电源平面,标识出来的路线是电流密度最高的部分,绿色部分是电源到回流地平面的最近路径。从上面可以看出,越近的路径上,通过的电流越多一些,电流就像我们人一样,也是比较喜欢走捷径的,都想挑电阻比较小的路径通过,保存实力到用电端。

  这个特性就会导致部分区域的电流密度偏大以及部分过孔通过的电流比较大。所以并不是按照经验公式添加相应数量的过孔,电流就会按照平均分配的方式通过过孔。这就导致一些过孔通过的电流超过能力范围,可能板子使用一段时间之后,过孔中间会断裂,影响过孔寿命,也影响板子的使用周期。所以对于一些大电流的电源,过孔加的整整齐齐可能反而会影响过孔电流的大小,这时候加过孔是有技巧的,也是靠近电源输出的过孔电流会越大,这种情况就建议通过仿真来指导添加过孔阵列。

  对于电流密度而言也是一样,电源输出端和用电端之间最近的路径上,电流密度会比较大,如果最近的路径上正好是瓶颈区域的话,需要修改电源路径。

  还有一个因素对于电源的压降也有影响,就是温度和风速,温度主要影响到的是导体电阻率,温度升高,电阻率也会变大,随之导体中的直流电阻也会增大。所以大功耗的情况下电源设计还需要考虑散热的问题。

  总结一下,我们设计电源的时候,除了满足载流的铜皮宽度和过孔数量,还需要关注每个过孔的电流大小,电源路径上的电流密度,以及板子的工作环境,温升等因素。(文 | 刘为霞)

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