歐姆定律我是很熟，只是沒想到電流不按套路出牌！
發(fā)布時間：2024-10-28 17:08
本來我真的覺得板級電源通流的PCB設(shè)計很簡單，多鋪平面多打過孔就搞掂。自從讀到高速先生這篇文章后，我立馬就把以前的設(shè)計項目又翻出來看看……
高速先生成員--黃剛
誠如高速先生所言，其實電源的直流壓降和通流設(shè)計和仿真背后的原理真的很簡單，那就是初中就學(xué)過的歐姆定律。請允許Chris不厭其煩的再再再一次給大家介紹下電源直流壓降和通流設(shè)計或者仿真的本質(zhì)。在電源輸出端，也就是VRM端，主要是給負(fù)載，也就是Sink端提供電流，并保證原始的輸出電壓。但是在實際鏈路中免不了會產(chǎn)生直流電阻R，因此最終需要電流I的Sink端的電壓就會比電源輸出端的U減少I*R的值。
那在常規(guī)PCB板級設(shè)計中，在VRM和Sink端中間就是PCB的鏈路產(chǎn)生直流電阻R。再細(xì)化一下PCB的結(jié)構(gòu)，其實就是電源的平面和換層過孔兩大部分所產(chǎn)生，一個是水平面上的電阻，例如銅皮寬度，層數(shù)，銅厚等；一個是垂直面上的電阻，例如過孔數(shù)量，過孔大小等。為什么說大家普遍認(rèn)為電源壓降和通流的設(shè)計比較簡單呢，因為除了理論簡單之外，行業(yè)內(nèi)還有不少免費的小軟件可以在前期進(jìn)行銅皮和過孔的通流評估。
例如今天要講的關(guān)于過孔通流的設(shè)計問題中，首先我們用一些軟件對電源過孔通流進(jìn)行評估，在軟件中輸入具體過孔的大小，包括約束的溫升等信息，就能夠快速的得到它通流的大小。例如下面，差不多一個10mil的過孔外，在約束溫升10度的情況下能過1A左右的電流。
嗯，然后我們就會根據(jù)不同過孔軟件評估的通流數(shù)值，再加上10-20%的裕量，給設(shè)計部的同事進(jìn)行推廣，相當(dāng)于給出不仿真情況下的過孔通流規(guī)則。
剛好Chris這周去我司的蘇州分部出差，路過設(shè)計部時，無意中看到工作經(jīng)驗2年左右的小云同學(xué)在處理一個電源的設(shè)計。湊近一看，那是一個20A左右的core電源的設(shè)計，VRM電源在右上方，要往左下方的BGA芯片供電，由于層面的限制，中間電源平面需要從L8層換到L9層，于是Chris看到小云同學(xué)非常規(guī)整的在進(jìn)BGA的邊界處打了一排電源過孔進(jìn)行換層。大概數(shù)了下，40個過孔左右。
小云看到Chris后，于是很自豪的說，按照高速先生給出的約束，1個10mil的過孔能過1A的電流，理論上20個過孔就可以過20A電流，為了保險，還特意打多一倍。小樣，這20A電流還不輕輕松松搞掂！
的確看起來還行哈，過孔也打得比較規(guī)整，數(shù)量也是足夠的，應(yīng)該是比較理想的結(jié)果了吧。不過在Chris這里看來，還是發(fā)現(xiàn)一些隱藏的問題，還可以有進(jìn)一步去優(yōu)化的空間。于是在拜訪客戶之余的時間，拿著這個版本簡單的做了個電源通流的仿真。你們猜猜仿真結(jié)果是怎么樣的？
晚上Chris給分部進(jìn)行培訓(xùn)，順便就拿出了小云這個設(shè)計的案例進(jìn)行分享。首先Chris讓大家暢所欲言，看看這個電源設(shè)計怎么樣？大部分同事都覺得挑不出太多毛病，過孔數(shù)量足夠多，也打在距離BGA用電端外面最近的一排位置，常規(guī)不都這樣做的嘛。分部里最資深的郭工和唐工根據(jù)他們多年的設(shè)計經(jīng)驗，隱隱感覺有點問題，電源位置和芯片位置是斜方向?qū)?yīng)的，如果在水平或豎直方向?qū)?yīng)的話這個設(shè)計沒有問題，斜方向下來的電流感覺有點奇怪。
正所謂事出反常必有妖，有經(jīng)驗的設(shè)計工程師其實會下意識的感覺到不是很對，但是只是沒法將這種感覺量化出來。于是Chris分享了小云同學(xué)這個過孔設(shè)計的通流仿真結(jié)果，不看不知道，一看嚇好幾跳。在這40個過孔的通流仿真結(jié)果中，每個過孔的通流差異灰常的巨大，實際也就只有右邊的10個8個過孔能真正通流，左邊的20個以上幾乎不怎么過電流。最右邊的過孔居然有超過2.5A電流要承載。從原理上我們也知道，過孔如果承受了它應(yīng)該承受的電流大小后，輕則導(dǎo)致負(fù)載壓降變大，重則發(fā)熱嚴(yán)重，把自己燒了。
最后再稍微總結(jié)下唄。不是說一個過孔評估起來就過1A嗎，更何況20A電流打了40個過孔，理論上1個過孔平均分0.5A就行了嗎，為什么會出現(xiàn)過孔間通流那么大差異的情況？問題這不就出在“理論上”這三個字嘛。一些簡單的評估軟件是理論上的評估，它沒法預(yù)料到電流要經(jīng)過具體哪些區(qū)域，只是單純的對這個過孔本身進(jìn)行通流的預(yù)測，是有一定的參考作用，但是并不能百分百靠它。在這次培訓(xùn)中，Chris針對類似這樣的案例進(jìn)行了原理的分析并分享了一些優(yōu)化的方案，大家聽完后，突然自己又可以了。原來知道是什么影響了過孔間通流差異的現(xiàn)實版“歐姆定律”后，其實電流的設(shè)計也還是不是很難的嘛。
問題：到底這個設(shè)計過孔間通流差異巨大的原因是啥？如果是你們，又會怎么去優(yōu)化呢？歡迎踴躍討論哈！
