电源设计如果只看电压跌落，不看电流密度会怎么样？

只看该作者 · 2024-1-24 16:16

大家知道，电源直流设计的理论其实非常的简单，归根到底就是欧姆定律，电源芯片给负载供给电流，电流经过传输路径有一定的压降，最终到达负载端的电压值就是我们接收芯片关注的结果。

在PCB设计中，从电源芯片出发到负载端接收，中间能导致电压跌落的因素就是我们的PCB设计链路，包括了铜皮，过孔，走线等路径。作为PCB的主要导电原料，铜本身就是一个具有特定电阻率的导体，因此有电流经过时就会产生压降，从而使最终到达负载端的电压降低。

很多人其实都是这样觉得，只要关注链路上的压降情况，再看看到达负载端的电压跌落程度是否满足芯片的接收要求，例如5%，如果满足就没问题了。

下面我们用一块简单的铜皮来分析这种情况。在这块简单的铜皮上，左边定义为电源的输出端，右边定义为负载端。

假设电源输出电压为1V，输出电流为2.5A，负载端允许的压降为3%。

那么做一个简单的压降仿真就可以知道，电压在负载端接收的时候压降到底能不能满足要求，仿真结果是这样的。

很简单是吧，这块铜皮在传输电流的时候会产生压降，因此从左边的电源输出端到右边的负载接收端压降慢慢降低，最终到达负载端时电源为0.972V，还行，满足3%的压降。

是的，很多刚入行的工程师们的确就是只关注负载端的压降，压降满足要求就完事了。那么听高速先生的言下之意，还有其他的指标要去关注咯？难道你们没发现，在欧姆定律中电阻表征为链路中的铜皮过孔走线这些东西，电压我们关注了链路和最终负载端的值，那电流呢？当然高速先生说的不是只是关注上面写着的2.5A电流，而是和电压在铜皮上的分布一样，我们也需要去关注下电流在上面的分布，给它一个专业名词，叫电流密度分布。

还是上面那个case，这块铜皮的电流传输过程中的电流密度图是这样的：

大概是27A/mm2的样子，有经验的同事都知道这个值是不大的。那问题来了，为什么我们要关注电流密度呢？这就是这篇文章的核心内容了。除了欧姆电流外，我们就需要知道另外一个定律，叫焦耳定律。简单来说就是电流不仅会导致压降，同样在电流密度大的地方还会产生热量，也就是说电流密度还会影响到PCB的温度！

既然知道了电流密度会引起温度的上升，那如果有条件的话，我们的仿真其实就需要进行电热的仿真了。还是以这块铜皮来进行电热仿真，在同样1V输出，2.5A电流的情况下，我们来看看这块铜皮的温度有没有变化哈。值得注意的是，不做电热仿真和这里做电热仿真的初始温度，设定的室温都是25度，也就是说电热仿真会在25度的基础上进行。

可以看到，同样的电流条件下，电热仿真得到的铜皮温度大概会上升到38度左右。

就这2.5A的电流就能够使这块小铜皮温升超过10度了，而且你以为板子温度升高就完事了？没那么简单，它反过来又会影响到电流密度和压降。我们再来看看铜皮在这个温度下的负载端的电压结果：

你会发现，板子温度升高后，负载端的压降也变大了。从之前的只做压降仿真的972.4mV变成了电热仿真的969.9mV，减小了2.5mV，也无法满足原来3%的压降要求了。

看起来这case验证后的铜皮电流密度本身也不是很大，但是对温升和压降的影响已经不能忽略了！如果你打开做过的PCB设计来看看，你甚至会发现拥有这么理想的完整平面来做电源通流都是一件很奢侈的事情了。

例如用于通流的平面变成了下面这样，你能想象最终的电流密度和温升影响吗？

别觉得这个平面很夸张，事实上真正的PCB设计里，有的地方比这个也好不了多少哈！

或者电流如果不是2.5A，而是25A的话，这个电流密度的影响大家觉得还小吗？如果输出电压本身更低或者负载端的接收要求更高的话，裕量会不会就更小了呢？

问题来了：

大家觉得PCB上的哪些地方电流密度会比较大，又该通过什么设计手段去优化呢？