電源設(shè)計如果只看電壓跌落，不看電流密度會怎么樣？
發(fā)布時間：2024-01-24 14:26
高速先生成員--黃剛
大家知道，電源直流設(shè)計的理論其實非常的簡單，歸根到底就是歐姆定律，電源芯片給負(fù)載供給電流，電流經(jīng)過傳輸路徑有一定的壓降，最終到達(dá)負(fù)載端的電壓值就是我們接收芯片關(guān)注的結(jié)果。
在PCB設(shè)計中，從電源芯片出發(fā)到負(fù)載端接收，中間能導(dǎo)致電壓跌落的因素就是我們的PCB設(shè)計鏈路，包括了銅皮，過孔，走線等路徑。作為PCB的主要導(dǎo)電原料，銅本身就是一個具有特定電阻率的導(dǎo)體，因此有電流經(jīng)過時就會產(chǎn)生壓降，從而使最終到達(dá)負(fù)載端的電壓降低。
很多人其實都是這樣覺得，只要關(guān)注鏈路上的壓降情況，再看看到達(dá)負(fù)載端的電壓跌落程度是否滿足芯片的接收要求，例如5%，如果滿足就沒問題了。
下面我們用一塊簡單的銅皮來分析這種情況。在這塊簡單的銅皮上，左邊定義為電源的輸出端，右邊定義為負(fù)載端。
假設(shè)電源輸出電壓為1V，輸出電流為2.5A，負(fù)載端允許的壓降為3%。
那么做一個簡單的壓降仿真就可以知道，電壓在負(fù)載端接收的時候壓降到底能不能滿足要求，仿真結(jié)果是這樣的。
很簡單是吧，這塊銅皮在傳輸電流的時候會產(chǎn)生壓降，因此從左邊的電源輸出端到右邊的負(fù)載接收端壓降慢慢降低，最終到達(dá)負(fù)載端時電源為0.972V，還行，滿足3%的壓降。
是的，很多剛?cè)胄械墓こ處焸兊拇_就是只關(guān)注負(fù)載端的壓降，壓降滿足要求就完事了。那么聽高速先生的言下之意，還有其他的指標(biāo)要去關(guān)注咯？難道你們沒發(fā)現(xiàn)，在歐姆定律中電阻表征為鏈路中的銅皮過孔走線這些東西，電壓我們關(guān)注了鏈路和最終負(fù)載端的值，那電流呢？當(dāng)然高速先生說的不是只是關(guān)注上面寫著的2.5A電流，而是和電壓在銅皮上的分布一樣，我們也需要去關(guān)注下電流在上面的分布，給它一個專業(yè)名詞，叫電流密度分布。
還是上面那個case，這塊銅皮的電流傳輸過程中的電流密度圖是這樣的：
大概是27A/mm2的樣子，有經(jīng)驗的同事都知道這個值是不大的。那問題來了，為什么我們要關(guān)注電流密度呢？這就是這篇文章的核心內(nèi)容了。除了歐姆電流外，我們就需要知道另外一個定律，叫焦耳定律。簡單來說就是電流不僅會導(dǎo)致壓降，同樣在電流密度大的地方還會產(chǎn)生熱量，也就是說電流密度還會影響到PCB的溫度！
既然知道了電流密度會引起溫度的上升，那如果有條件的話，我們的仿真其實就需要進(jìn)行電熱的仿真了。還是以這塊銅皮來進(jìn)行電熱仿真，在同樣1V輸出，2.5A電流的情況下，我們來看看這塊銅皮的溫度有沒有變化哈。值得注意的是，不做電熱仿真和這里做電熱仿真的初始溫度，設(shè)定的室溫都是25度，也就是說電熱仿真會在25度的基礎(chǔ)上進(jìn)行。
可以看到，同樣的電流條件下，電熱仿真得到的銅皮溫度大概會上升到38度左右。
就這2.5A的電流就能夠使這塊小銅皮溫升超過10度了，而且你以為板子溫度升高就完事了？沒那么簡單，它反過來又會影響到電流密度和壓降。我們再來看看銅皮在這個溫度下的負(fù)載端的電壓結(jié)果：
你會發(fā)現(xiàn)，板子溫度升高后，負(fù)載端的壓降也變大了。從之前的只做壓降仿真的972.4mV變成了電熱仿真的969.9mV，減小了2.5mV，也無法滿足原來3%的壓降要求了。
看起來這case驗證后的銅皮電流密度本身也不是很大，但是對溫升和壓降的影響已經(jīng)不能忽略了！如果你打開做過的PCB設(shè)計來看看，你甚至?xí)l(fā)現(xiàn)擁有這么理想的完整平面來做電源通流都是一件很奢侈的事情了。
例如用于通流的平面變成了下面這樣，你能想象最終的電流密度和溫升影響嗎？
別覺得這個平面很夸張，事實上真正的PCB設(shè)計里，有的地方比這個也好不了多少哈！
或者電流如果不是2.5A，而是25A的話，這個電流密度的影響大家覺得還小嗎？如果輸出電壓本身更低或者負(fù)載端的接收要求更高的話，裕量會不會就更小了呢？
問題來了：
大家覺得PCB上的哪些地方電流密度會比較大，又該通過什么設(shè)計手段去優(yōu)化呢？
