如何减少PCB電(diàn)源压降？

2020-03-16

尽管低功耗组件的大量使用(yòng)，但当今的印刷電(diàn)路板（PCB）仍需要大量電(diàn)流，而常用(yòng)的電(diàn)路板消耗50、100甚至200 A的電(diàn)流。每当電(diàn)流传递给负载时，都会存在基于IR的压降，设计人员在对電(diàn)路板进行布局以及放置電(diàn)源，直流電(diàn)源轨和负载时必须考虑这一损耗。為(wèi)了保持一致和可(kě)靠的运行，重要的是要确保该压降不会将这些直流電(diàn)源電(diàn)压推到其频带的下限。通常，它是标称值的正负几个百分(fēn)点。诸如FR-4之类的PCB层压板上的铜（之所以称呼是因為(wèi)每平方英尺重1盎司），厚度為(wèi)35 µm；2盎司 当然，铜的厚度是原来的两倍，而“薄”的铜则只有(yǒu)一半。使用(yòng)1盎司。铜作為(wèi)一个例子，一个10厘米長(cháng)，1毫米宽的跟踪将具有(yǒu)约50μm的電(diàn)阻Ω（铜的電(diàn)阻率是1.74 × 10 -8 Ω⋅m在20 ° C）。有(yǒu)许多(duō)方便的在線(xiàn)電(diàn)阻计算器，例如Trance-Cat的 计算器（图1）。

图1

如果通过该走線(xiàn)提供10 A電(diàn)流，则IR压降约為(wèi)500 mV（0.5 V），这是很(hěn)大的。这意味着负载处的直流電(diàn)源電(diàn)压比電(diàn)源電(diàn)压低一半，而且还浪费了功率（I 2 R）和伴随的散热。请注意，压降不是電(diàn)源轨标称電(diàn)压值的函数，它仅取决于電(diàn)流和電(diàn)阻。因此，一个15 V的電(diàn)源轨的损耗与一个3 V的電(diàn)源轨相同，但是在较低的電(diàn)压下，比例损耗要大得多(duō)。情况可(kě)能(néng)变得更糟。某些设计将低電(diàn)阻接地层（通常作為(wèi)独立的PCB层）用(yòng)于模拟和数字信号接地以及dc電(diàn)源返回接地。但是，许多(duō)设计都受益于（或要求使用(yòng)）信号和電(diàn)源接地的单独接地路径，以降低噪声，甚至可(kě)以使用(yòng)单独的直流回路。在这种情况下，IR压降实际上增加了一倍，其中一个压降使電(diàn)源输出轨负载，而第二个压降使负载電(diàn)流返回電(diàn)源。

克服红外压降

设计人员有(yǒu)多(duō)种选择可(kě)降低IR压降：在中间总線(xiàn)转换器（IBC）布置中使用(yòng)较高電(diàn)压的直流電(diàn)源轨，例如48 V或12/12 V dc，然后在靠近各自的位置放置多(duō)个本地负载点（PoL）dc-dc转换器负载。这解决了IR下降问题（并且还大大减少了导轨中的噪声吸收），但是却增加了DC-DC转换器和PCB面积的成本。尽管如此，它还是一种较多(duō)使用(yòng)且有(yǒu)效的解决方案。调整直流标称電(diàn)源值以预补偿IR压降。这是一种有(yǒu)效的“解决方法”，但同时也带来了一些风险。

            -某些其他(tā)非常好或偏爱的耗材无法调节，因此必须排除在外。

            -如果在使用(yòng)过程中负载電(diàn)流需求下降（几乎总是如此），则IR下降也将下降，并且電(diàn)源实际上可(kě)能(néng)会提供过高的電(diàn)源電(diàn)压。

            -如果必须在现场更换電(diàn)源，则可(kě)能(néng)无法将补偿设置為(wèi)补偿電(diàn)压或调整不当，从而导致電(diàn)路无法正常工作或電(diàn)路断断续续。

使用(yòng)遠(yuǎn)程感测，这是某些耗材支持的开尔文(wén)感测的一种变體(tǐ)。電(diàn)源具有(yǒu)两条额外的引線(xiàn)，因此，即使IR下降和负载发生漂移，它也可(kě)以检测负载处的電(diàn)压并动态调整其输出以保持该值。这是有(yǒu)效的，但也有(yǒu)缺点：

            -传感反馈回路的动态响应可(kě)能(néng)不够快而无法补偿，或者可(kě)能(néng)太快，过冲和振荡。

            -感测引線(xiàn)形成物(wù)理(lǐ)上较大的反馈环路，可(kě)能(néng)会吸收系统噪声，从而导致電(diàn)源误读所感测的值；再次，这甚至可(kě)能(néng)引起供電(diàn)轨的振荡。

考虑其他(tā)解决方案

所有(yǒu)这些选项都在使用(yòng)中，并且它们都可(kě)以在定义明确且受控的条件下工作，但是它们都是“解决方法”和“补丁”，它们是从技术上更强大，更可(kě)靠的解决方案，其减少了跌落。同样，还有(yǒu)选择和权衡：

使用(yòng)较厚的铜包层；2盎司 甚至3盎司 可(kě)用(yòng)。厚度加倍会使電(diàn)阻减半，但这样做会增加原始PCB材料的成本并增加板重；将更多(duō)的铜放到不需要的地方；并且由于化學(xué)蚀刻或附加電(diàn)镀所需的额外时间而增加了制造时间，这是可(kě)以创建PCB铜路径的两种方式。

使用(yòng)更宽的PCB走線(xiàn)；同样，将宽度加倍会使阻力减半。但是，成本是这些直流電(diàn)源轨及其接地回路的额外PCB“不动产”。一些先进的布局会尽可(kě)能(néng)使用(yòng)较宽的走線(xiàn)，但也会通过缩小(xiǎo)走線(xiàn)来避开板上的障碍物(wù)和狭窄的间隙區(qū)域。如果10厘米的行程仅在行程的一厘米处狭窄，则電(diàn)阻的增加显然仅发生在该短段上。

使用(yòng)立式母線(xiàn)（也拼写為(wèi)母線(xiàn)或母線(xiàn)）来布線(xiàn)電(diàn)源，从而使用(yòng)未使用(yòng)的z轴（高度）尺寸。即使该板是薄型SMT设计，通常也会留有(yǒu)相对较厚的薄型母線(xiàn)的净空，因此它提供了低電(diàn)阻的直流路径。这些杆中有(yǒu)许多(duō)是作為(wèi)两层（或多(duō)层）结构提供的，一层用(yòng)于一个或多(duō)个供電(diàn)轨，另一层用(yòng)于接地回路。成本只是BOM组件成本，对PCB本身的影响很(hěn)小(xiǎo)，因為(wèi)它们不需要更厚的铜，更宽的走線(xiàn)或其他(tā)解决方法。

母線(xiàn)的厚度，高度层，引脚间距和長(cháng)度范围很(hěn)广。例如，E-Fab提供的一个母線(xiàn)具有(yǒu)两个铜层，这些铜层被绝缘體(tǐ)隔开（图2）。这些层具有(yǒu)交错的PCB引脚配置，以便引脚交替供電(diàn)和接地。

图2

母線(xiàn)排提供了另一个“免费”的好处：它们使PCB变硬以防挠曲，这是大型板或在振动环境（军用(yòng)/航空，汽車(chē)和许多(duō)其他(tā)应用(yòng)）中要考虑的问题。某些设计仅将母線(xiàn)用(yòng)于较高電(diàn)流的负载，例如MOSFET或IBGT。这样可(kě)以降低其适度的成本，并减轻与電(diàn)池条相关的布局问题（如果有(yǒu)），同时提高其有(yǒu)效性。 

结论

从纯電(diàn)气的角度来看，确保来自電(diàn)源的全部标称電(diàn)压到达负载，并以不明显的IR電(diàn)压损耗或I ²R功耗达到负载，这对于可(kě)靠的非间歇性能(néng)至关重要。每个问题的解决方案都需要权衡，没有(yǒu)标准答(dá)案，但是每个问题的缺点都应仔细理(lǐ)解和评估。