如何減少PCB電源壓降？

2020-03-16

盡管低功耗組件的大量使用，但當今的印刷電路板（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。每當電流傳遞給負載時(shí)，都會(huì )存在基于IR的壓降，設計人員在對電路板進(jìn)行布局以及放置電源，直流電源軌和負載時(shí)必須考慮這一損耗。為了保持一致和可靠的運行，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，它是標稱(chēng)值的正負幾個(gè)百分點(diǎn)。諸如FR-4之類(lèi)的PCB層壓板上的銅（之所以稱(chēng)呼是因為每平方英尺重1盎司），厚度為35 μm；2盎司 當然，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(cháng)，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(xiàn)電阻計算器，例如Trance-Cat的 計算器（圖1）。

圖1

如果通過(guò)該走線(xiàn)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(zhù)負載處的直流電源電壓比電源電壓低一半，而且還浪費了功率（I 2 R）和伴隨的散熱。請注意，壓降不是電源軌標稱(chēng)電壓值的函數，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。某些設計將低電阻接地層（通常作為獨立的PCB層）用于模擬和數字信號接地以及dc電源返回接地。但是，許多設計都受益于（或要求使用）信號和電源接地的單獨接地路徑，以降低噪聲，甚至可以使用單獨的直流回路。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載，而第二個(gè)壓降使負載電流返回電源。

克服紅外壓降

設計人員有多種選擇可降低IR壓降：在中間總線(xiàn)轉換器（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)本地負載點(diǎn)（PoL）dc-dc轉換器負載。這解決了IR下降問(wèn)題（并且還大大減少了導軌中的噪聲吸收），但是卻增加了DC-DC轉換器和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。調整直流標稱(chēng)電源值以預補償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。

            -某些其他非常好或偏愛(ài)的耗材無(wú)法調節，因此必須排除在外。

            -如果在使用過(guò)程中負載電流需求下降（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。

            -如果必須在現場(chǎng)更換電源，則可能無(wú)法將補償設置為補償電壓或調整不當，從而導致電路無(wú)法正常工作或電路斷斷續續。

使用遠程感測，這是某些耗材支持的開(kāi)爾文感測的一種變體。電源具有兩條額外的引線(xiàn)，因此，即使IR下降和負載發(fā)生漂移，它也可以檢測負載處的電壓并動(dòng)態(tài)調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)響應可能不夠快而無(wú)法補償，或者可能太快，過(guò)沖和振蕩。

            -感測引線(xiàn)形成物理上較大的反饋環(huán)路，可能會(huì )吸收系統噪聲，從而導致電源誤讀所感測的值；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“補丁”，它們是從技術(shù)上更強大，更可靠的解決方案，其減少了跌落。同樣，還有選擇和權衡：

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(xiàn)；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(xiàn)，但也會(huì )通過(guò)縮小走線(xiàn)來(lái)避開(kāi)板上的障礙物和狹窄的間隙區域。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(xiàn)（也拼寫(xiě)為母線(xiàn)或母線(xiàn)）來(lái)布線(xiàn)電源，從而使用未使用的z軸（高度）尺寸。即使該板是薄型SMT設計，通常也會(huì )留有相對較厚的薄型母線(xiàn)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）結構提供的，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PCB本身的影響很小，因為它們不需要更厚的銅，更寬的走線(xiàn)或其他解決方法。

母線(xiàn)的厚度，高度層，引腳間距和長(cháng)度范圍很廣。例如，E-Fab提供的一個(gè)母線(xiàn)具有兩個(gè)銅層，這些銅層被絕緣體隔開(kāi)（圖2）。這些層具有交錯的PCB引腳配置，以便引腳交替供電和接地。

圖2

母線(xiàn)排提供了另一個(gè)“免費”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(chē)和許多其他應用）中要考慮的問(wèn)題。某些設計僅將母線(xiàn)用于較高電流的負載，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。 

結論

從純電氣的角度來(lái)看，確保來(lái)自電源的全部標稱(chēng)電壓到達負載，并以不明顯的IR電壓損耗或I ²R功耗達到負載，這對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衡，沒(méi)有標準答案，但是每個(gè)問(wèn)題的缺點(diǎn)都應仔細理解和評估。