母线：IR电源轨压降过大的3D解决方案

负载处的压降和低电压不仅仅是一种麻烦。它可能导致电路根本无法正常工作，或者当电压处于IC规格的边缘时工作不规则。

尽管低功耗IC被广泛使用（或者说正因为如此，因此与直觉相反），但PC板上的直流电源轨电流仍在不断增加。拥有中等尺寸的电路板消耗高达数十安培甚至更多安培并不罕见。摆脱结果 I2R热是一个众所周知的热问题，但在该结果之前有一个问题：将标称轨电压输送到负载，而不会因PC板走线电阻而产生过大的压降。

这种现象由欧姆定律定义，欧姆定律是最简单的方程：V = I × R。压降仅是电流值和走线电阻的函数。它与电源轨电压无关，尽管对于给定损耗，1 V电源轨的损耗百分比明显大于15 V电源轨。

负载处的压降和低电压不仅仅是一种麻烦。它可能导致电路根本无法正常工作（不好），或者当电压处于各种IC允许规格的边缘（通常更糟）时工作不规则，因为典型的电源轨公差窗口范围为±1%至±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并处理过大的IR压降至关重要的原因。

预计下降多少？同样，这是一个简单的计算。在标准“1盎司”铜包层（实际厚度为35μm）上宽1毫米，长10厘米的PC板走线的电阻约为50 mΩ（铜的电阻率为1.74×10-820°C 时Ω-m），图 1（左）。在 10 A 的适中电流下，仅沿电源轨的压降就为 500 mV，如果直流接地回路通过类似的走线而不是宽接地层，则甚至可能是两倍。对于这种损耗，有许多方便的在线电阻计算器，图1（右）和参考文献1至3;他们中的许多人还计算温升。

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

为了解决这个问题，设计人员可以使用更厚、更昂贵的印刷电路板包层（通常为 2 盎司/70 μm），但这只能将损耗减少一半。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，其中更高的电压（因此更低的电流）如24 VDC或12/15 VDC分布在整个电路板上，然后根据需要对靠近IC的IC或子电路进行本地调节。这在技术上效果很好，但额外的 DC/DC 稳压器和电路板空间存在成本。

幸运的是，如果你“开箱即用”，或者至少“跳出飞机”，还有另一个潜在的解决方案。不，它不会增加额外的 PC 板层，尽管这当然可以做到——同样，以电路板材料、埋孔、盲孔和通孔（正式名称为“垂直互连访问”）等布局问题为代价。

相反，它使用“老式”母线（工业环境中为电机等供电的标准），但规模要小得多，适用于印刷电路板，即使是那些在卡笼中具有紧密板间距的电路板。母线的概念和实现很简单：它是一种绝缘铜条，沿长边有突出的连接引脚，并提供许多标准长度。定制长度也可以以可以忽略不计或没有前期NRE（非经常性工程）成本和最小的交货时间影响提供。

母线像任何其他通孔元件一样安装在电路板上，并增加了独立的直流导轨路径。它可以足够宽和厚，以提供毫欧和较小电阻的电流路径。这是一个轻松、简单的 PC 板插件，为这些高电流轨的布局和分配提供了另一个自由度。它还有助于更好、更短的布线和更好的信号路径信号完整性，因为更宽的直流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。母线还有一个免费的次要好处，因为它们使印刷电路板变硬，防止弯曲和振动，图3，随着电路板变大，这是一个值得关注的问题。

图 3：母线的第二个免费好处是它们还可以使电路板变硬以防止弯曲，从而减少振动引起的应力裂纹，这可能导致最终故障。（图片来源：暴风发电组件）

母线有来自数十家供应商的数百种标准配置。在为将 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 - 所有这些都在解决方案工具包中占有一席之地 - 请考虑将 PC 板带到另一个维度的 3D 技术和组件。

审核编辑：郭婷