过度IR电源轨压降的3D解决方案

尽管低功率 IC 得到了广泛使用——或者因为它而违反直觉——PC 板上的 DC 电源轨电流仍在不断增加。有一块中等大小的电路板需要几十安培甚至更多的电流并不罕见。消除由此产生的 I 2 R 热量是一个众所周知的热问题，但在此后果之前还有一个问题：将标称轨电压提供给负载，而不会因 PC 板走线电阻而导致过大的电压降。

这种现象由欧姆定律定义，这是最简单的方程：V = I × R。电压降只是电流值和走线电阻的函数。它与电源轨电压无关，尽管对于给定的损耗，1V 电源轨与 15V 电源轨相比，损耗百分比显然要大得多。

负载上的电压降和低电压不仅仅是一个麻烦。它可能导致电路根本无法运行（不好），或者当电压处于各种 IC 的允许规格边缘时运行不正常（通常情况更糟），因为典型的轨容差窗口范围为 ±1% ±5%，具体取决于组件。这就是为什么分析电源和负载之间的压降以及处理过度的 IR 压降至关重要的原因。

预计会有多少下跌？同样，这是一个简单的计算。PC 板走线，在标准“1 盎司”铜包层（实际上是 35 微米厚）上 1 毫米宽和 10 厘米长，其电阻约为 50 mΩ（铜的电阻率为 1.74 × 10 - 20°C 时为8 Ω-m），图 1（左）。在 10 A 的适度电流下，仅电源轨就有 500 mV 的压降——如果 DC 接地回路通过类似的走线而不是宽接地层，它甚至可能是 500 mV 的压降。对于这种损失，有许多方便的在线阻力计算器，图 1（右）和参考文献 1 至 3；他们中的许多人也计算温度上升。

图 1：PC 板走线中 IR 压降的计算是直接应用欧姆定律；可以使用各种在线计算器，使其成为一项简单的任务。

为了解决这个问题，设计人员可以使用更厚、更昂贵的 PC 板覆层（2 盎司/70 µm 很常见），但这只会将损耗减少一半。另一种流行的选择是使用中间总线转换器 （IBC） 架构进行配电，其中较高的电压（因此较低的电流）如 24 VDC 或 12/15 VDC 分布在整个电路板上，然后根据需要进行本地调节IC 或靠近 IC 的子电路。这在技术上运行良好，但额外的 DC/DC 稳压器和电路板空间会产生成本。

幸运的是，如果您认为“开箱即用”，或者至少“跳出飞机”，还有另一种潜在的解决方案。不，它没有增加额外的 PC 板层，尽管这当然可以做到——同样，以板材料为代价，埋藏、盲孔和通孔的布局问题（正式名称是“垂直互连访问”）等等。

取而代之的是使用“老式”母线（工业环境中为电机等提供电力的标准），但适用于 PC 板的规模要小得多，即使是那些在卡中板间间距很小的笼。母线的概念和实现很简单：它是一条绝缘铜条，长边带有突出的连接引脚，有多种标准长度可供选择。定制长度也可以忽略或没有前期 NRE（非经常性工程）成本和最小的交货时间影响。

汇流条像任何其他通孔组件一样安装在板上，并添加了独立的直流导轨路径。它可以足够宽和厚，以提供具有毫欧和更低电阻的电流路径。这是对 PC 板的轻松、简单的附加组件，它为这些高电流轨的布局和分配提供了另一个自由度。它还有助于信号路径的更好、更短的布线和更好的信号完整性，因为更宽的 DC 轨不再妨碍最佳路径。

母线还有另一个好处。有双层甚至三层版本，因此同一母线可以承载一个或多个电源轨以及接地。汇流条还提供了一个免费的次要好处，因为它们可以加强 PC 板的抗弯曲和振动，如图 3 所示，随着电路板变得越来越大，这是一个问题。

图 3：母线的第二个和免费的好处是它们还可以加强电路板以防止弯曲，从而减少振动引起的应力裂纹，这可能导致最终故障。

汇流条可提供来自数十家供应商的数百种标准配置。在您为将 IR 损耗降低到可接受水平的问题寻找更复杂的解决方案之前，例如更宽的走线、更厚的 PC 板铜、另一个板层或使用 IBC 和本地 DC/DC 稳压器 - 所有这些都具有它们在解决方案工具包中的位置——考虑一下真正将您的 PC 板带到另一个维度的 3D 技术和组件。

审核编辑：郭婷