過度IR電源軌壓降的3D解決方案

盡管低功率 IC 得到了廣泛使用——或者因為它而違反直覺——PC 板上的 DC 電源軌電流仍在不斷增加。有一塊中等大小的電路板需要幾十安培甚至更多的電流并不罕見。消除由此產(chǎn)生的 I 2 R 熱量是一個眾所周知的熱問題，但在此后果之前還有一個問題：將標稱軌電壓提供給負載，而不會因 PC 板走線電阻而導致過大的電壓降。

這種現(xiàn)象由歐姆定律定義，這是最簡單的方程：V = I × R。電壓降只是電流值和走線電阻的函數(shù)。它與電源軌電壓無關，盡管對于給定的損耗，1V 電源軌與 15V 電源軌相比，損耗百分比顯然要大得多。

負載上的電壓降和低電壓不僅僅是一個麻煩。它可能導致電路根本無法運行（不好），或者當電壓處于各種 IC 的允許規(guī)格邊緣時運行不正常（通常情況更糟），因為典型的軌容差窗口范圍為 ±1% ±5%，具體取決于組件。這就是為什么分析電源和負載之間的壓降以及處理過度的 IR 壓降至關重要的原因。

預計會有多少下跌？同樣，這是一個簡單的計算。PC 板走線，在標準“1 盎司”銅包層（實際上是 35 微米厚）上 1 毫米寬和 10 厘米長，其電阻約為 50 mΩ（銅的電阻率為 1.74 × 10 - 20°C 時為8 Ω-m），圖 1（左）。在 10 A 的適度電流下，僅電源軌就有 500 mV 的壓降——如果 DC 接地回路通過類似的走線而不是寬接地層，它甚至可能是 500 mV 的壓降。對于這種損失，有許多方便的在線阻力計算器，圖 1（右）和參考文獻 1 至 3；他們中的許多人也計算溫度上升。

圖 1：PC 板走線中 IR 壓降的計算是直接應用歐姆定律；可以使用各種在線計算器，使其成為一項簡單的任務。

為了解決這個問題，設計人員可以使用更厚、更昂貴的 PC 板覆層（2 盎司/70 μm 很常見），但這只會將損耗減少一半。另一種流行的選擇是使用中間總線轉換器 （IBC） 架構進行配電，其中較高的電壓（因此較低的電流）如 24 VDC 或 12/15 VDC 分布在整個電路板上，然后根據(jù)需要進行本地調節(jié)IC 或靠近 IC 的子電路。這在技術上運行良好，但額外的 DC/DC 穩(wěn)壓器和電路板空間會產(chǎn)生成本。

幸運的是，如果您認為“開箱即用”，或者至少“跳出飛機”，還有另一種潛在的解決方案。不，它沒有增加額外的 PC 板層，盡管這當然可以做到——同樣，以板材料為代價，埋藏、盲孔和通孔的布局問題（正式名稱是“垂直互連訪問”）等等。

取而代之的是使用“老式”母線（工業(yè)環(huán)境中為電機等提供電力的標準），但適用于 PC 板的規(guī)模要小得多，即使是那些在卡中板間間距很小的籠。母線的概念和實現(xiàn)很簡單：它是一條絕緣銅條，長邊帶有突出的連接引腳，有多種標準長度可供選擇。定制長度也可以忽略或沒有前期 NRE（非經(jīng)常性工程）成本和最小的交貨時間影響。

匯流條像任何其他通孔組件一樣安裝在板上，并添加了獨立的直流導軌路徑。它可以足夠寬和厚，以提供具有毫歐和更低電阻的電流路徑。這是對 PC 板的輕松、簡單的附加組件，它為這些高電流軌的布局和分配提供了另一個自由度。它還有助于信號路徑的更好、更短的布線和更好的信號完整性，因為更寬的 DC 軌不再妨礙最佳路徑。

母線還有另一個好處。有雙層甚至三層版本，因此同一母線可以承載一個或多個電源軌以及接地。匯流條還提供了一個免費的次要好處，因為它們可以加強 PC 板的抗彎曲和振動，如圖 3 所示，隨著電路板變得越來越大，這是一個問題。

圖 3：母線的第二個和免費的好處是它們還可以加強電路板以防止彎曲，從而減少振動引起的應力裂紋，這可能導致最終故障。

匯流條可提供來自數(shù)十家供應商的數(shù)百種標準配置。在您為將 IR 損耗降低到可接受水平的問題尋找更復雜的解決方案之前，例如更寬的走線、更厚的 PC 板銅、另一個板層或使用 IBC 和本地 DC/DC 穩(wěn)壓器 - 所有這些都具有它們在解決方案工具包中的位置——考慮一下真正將您的 PC 板帶到另一個維度的 3D 技術和組件。

審核編輯：郭婷