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技術(shù)專題
如何減少PCB電源壓降？
盡管低功耗組件的大量使用，但當(dāng)今的印刷電路板（PCB）仍需要大量電流，而常用的電路板消耗50、100甚至200 A的電流。每當(dāng)電流傳遞給負(fù)載時(shí)，都會(huì)存在基于IR的壓降，設(shè)計(jì)人員在對(duì)電路板進(jìn)行布局以及放置電源，直流電源軌和負(fù)載時(shí)必須考慮這一損耗。為了保持一致和可靠的運(yùn)行，重要的是要確保該壓降不會(huì)將這些直流電源電壓推到其頻帶的下限。通常，它是標(biāo)稱值的正負(fù)幾個(gè)百分點(diǎn)。諸如FR-4之類的PCB層壓板上的銅（之所以稱呼是因?yàn)槊科椒接⒊咧?盎司），厚度為35 μm；2盎司 當(dāng)然，銅的厚度是原來(lái)的兩倍，而“薄”的銅則只有一半。使用1盎司。銅作為一個(gè)例子，一個(gè)10厘米長(zhǎng)，1毫米寬的跟蹤將具有約50μm的電阻Ω（銅的電阻率是1.74 × 10 -8 Ω?m在20 ° C）。有許多方便的在線電阻計(jì)算器，例如Trance-Cat的 計(jì)算器（圖1）。
圖1
如果通過(guò)該走線提供10 A電流，則IR壓降約為500 mV（0.5 V），這是很大的。這意味著負(fù)載處的直流電源電壓比電源電壓低一半，而且還浪費(fèi)了功率（I 2 R）和伴隨的散熱。請(qǐng)注意，壓降不是電源軌標(biāo)稱電壓值的函數(shù)，它僅取決于電流和電阻。因此，一個(gè)15 V的電源軌的損耗與一個(gè)3 V的電源軌相同，但是在較低的電壓下，比例損耗要大得多。情況可能變得更糟。某些設(shè)計(jì)將低電阻接地層（通常作為獨(dú)立的PCB層）用于模擬和數(shù)字信號(hào)接地以及dc電源返回接地。但是，許多設(shè)計(jì)都受益于（或要求使用）信號(hào)和電源接地的單獨(dú)接地路徑，以降低噪聲，甚至可以使用單獨(dú)的直流回路。在這種情況下，IR壓降實(shí)際上增加了一倍，其中一個(gè)壓降使電源輸出軌負(fù)載，而第二個(gè)壓降使負(fù)載電流返回電源。
克服紅外壓降
設(shè)計(jì)人員有多種選擇可降低IR壓降：在中間總線轉(zhuǎn)換器（IBC）布置中使用較高電壓的直流電源軌，例如48 V或12/12 V dc，然后在靠近各自的位置放置多個(gè)本地負(fù)載點(diǎn)（PoL）dc-dc轉(zhuǎn)換器負(fù)載。這解決了IR下降問(wèn)題（并且還大大減少了導(dǎo)軌中的噪聲吸收），但是卻增加了DC-DC轉(zhuǎn)換器和PCB面積的成本。盡管如此，它還是一種較多使用且有效的解決方案。調(diào)整直流標(biāo)稱電源值以預(yù)補(bǔ)償IR壓降。這是一種有效的“解決方法”，但同時(shí)也帶來(lái)了一些風(fēng)險(xiǎn)。
-某些其他非常好或偏愛(ài)的耗材無(wú)法調(diào)節(jié)，因此必須排除在外。
-如果在使用過(guò)程中負(fù)載電流需求下降（幾乎總是如此），則IR下降也將下降，并且電源實(shí)際上可能會(huì)提供過(guò)高的電源電壓。
-如果必須在現(xiàn)場(chǎng)更換電源，則可能無(wú)法將補(bǔ)償設(shè)置為補(bǔ)償電壓或調(diào)整不當(dāng)，從而導(dǎo)致電路無(wú)法正常工作或電路斷斷續(xù)續(xù)。
使用遠(yuǎn)程感測(cè)，這是某些耗材支持的開(kāi)爾文感測(cè)的一種變體。電源具有兩條額外的引線，因此，即使IR下降和負(fù)載發(fā)生漂移，它也可以檢測(cè)負(fù)載處的電壓并動(dòng)態(tài)調(diào)整其輸出以保持該值。這是有效的，但也有缺點(diǎn)：
-傳感反饋回路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)可能不夠快而無(wú)法補(bǔ)償，或者可能太快，過(guò)沖和振蕩。
-感測(cè)引線形成物理上較大的反饋環(huán)路，可能會(huì)吸收系統(tǒng)噪聲，從而導(dǎo)致電源誤讀所感測(cè)的值；再次，這甚至可能引起供電軌的振蕩。
考慮其他解決方案
所有這些選項(xiàng)都在使用中，并且它們都可以在定義明確且受控的條件下工作，但是它們都是“解決方法”和“補(bǔ)丁”，它們是從技術(shù)上更強(qiáng)大，更可靠的解決方案，其減少了跌落。同樣，還有選擇和權(quán)衡：
使用較厚的銅包層；2盎司 甚至3盎司 可用。厚度加倍會(huì)使電阻減半，但這樣做會(huì)增加原始PCB材料的成本并增加板重；將更多的銅放到不需要的地方；并且由于化學(xué)蝕刻或附加電鍍所需的額外時(shí)間而增加了制造時(shí)間，這是可以創(chuàng)建PCB銅路徑的兩種方式。
使用更寬的PCB走線；同樣，將寬度加倍會(huì)使阻力減半。但是，成本是這些直流電源軌及其接地回路的額外PCB“不動(dòng)產(chǎn)”。一些先進(jìn)的布局會(huì)盡可能使用較寬的走線，但也會(huì)通過(guò)縮小走線來(lái)避開(kāi)板上的障礙物和狹窄的間隙區(qū)域。如果10厘米的行程僅在行程的一厘米處狹窄，則電阻的增加顯然僅發(fā)生在該短段上。
使用立式母線（也拼寫(xiě)為母線或母線）來(lái)布線電源，從而使用未使用的z軸（高度）尺寸。即使該板是薄型SMT設(shè)計(jì)，通常也會(huì)留有相對(duì)較厚的薄型母線的凈空，因此它提供了低電阻的直流路徑。這些桿中有許多是作為兩層（或多層）結(jié)構(gòu)提供的，一層用于一個(gè)或多個(gè)供電軌，另一層用于接地回路。成本只是BOM組件成本，對(duì)PCB本身的影響很小，因?yàn)樗鼈儾恍枰竦你~，更寬的走線或其他解決方法。
母線的厚度，高度層，引腳間距和長(zhǎng)度范圍很廣。例如，E-Fab提供的一個(gè)母線具有兩個(gè)銅層，這些銅層被絕緣體隔開(kāi)（圖2）。這些層具有交錯(cuò)的PCB引腳配置，以便引腳交替供電和接地。
圖2
母線排提供了另一個(gè)“免費(fèi)”的好處：它們使PCB變硬以防撓曲，這是大型板或在振動(dòng)環(huán)境（軍用/航空，汽車和許多其他應(yīng)用）中要考慮的問(wèn)題。某些設(shè)計(jì)僅將母線用于較高電流的負(fù)載，例如MOSFET或IBGT。這樣可以降低其適度的成本，并減輕與電池條相關(guān)的布局問(wèn)題（如果有），同時(shí)提高其有效性。
結(jié)論
從純電氣的角度來(lái)看，確保來(lái)自電源的全部標(biāo)稱電壓到達(dá)負(fù)載，并以不明顯的IR電壓損耗或I 2R功耗達(dá)到負(fù)載，這對(duì)于可靠的非間歇性能至關(guān)重要。每個(gè)問(wèn)題的解決方案都需要權(quán)衡，沒(méi)有標(biāo)準(zhǔn)答案，但是每個(gè)問(wèn)題的缺點(diǎn)都應(yīng)仔細(xì)理解和評(píng)估。