電源設(shè)計挑戰(zhàn)多，搞定大電流可以解煩憂
發(fā)布日期:2023-09-28
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開場白的時候，提到了電源設(shè)計最重要的因素是電流，電流大小決定了電源設(shè)計的難度。那么電源的電流是這幾年才開始變大的嗎？早些年沒有大電流的電源設(shè)計嗎？答案當(dāng)然是否定的！那么這些年電源設(shè)計的大電流和之前有什么區(qū)別呢？
我的總結(jié)是：一個是高壓大電流，一個是低壓大電流。
高壓大電流電源的設(shè)計難點
時間退回十年或者二十年之前，那個時代不是沒有大電流的電源設(shè)計，而是絕大多數(shù)大電流的單板，都是電源板或者背板。普通的功能板或者板卡類單板，由于芯片工作的IO電壓大多是3.3V，5V，電流通常也不會太大，大多在10A以下，常見的就是幾安培。而電源板或者背板，電流大的同時，電壓也比較高，12V，36V，48V以上。所以我總結(jié)為高壓大電流的設(shè)計挑戰(zhàn)。
應(yīng)對高壓，我們要關(guān)注安規(guī)，注意各種安全距離，包括空氣間隙，爬電距離等。關(guān)心阻燃，絕緣等安全相關(guān)的設(shè)計要求。這是另外一個很大的范疇，在這里就不一一贅述了，大家關(guān)心的可以找相關(guān)資料看看，一博科技也有相關(guān)的專家負(fù)責(zé)安規(guī)的設(shè)計。
這類［size=1em］PCB設(shè)計，也會有大電流，幾十安培或者上百安培。但是這種板子有另外一個特點，就是上面基本不會出現(xiàn)功能電路，也就是說你的CPU，DDR顆粒，大規(guī)模的FPGA等，這些電路你不會放在電源板上去實現(xiàn)。電源板就是電源板，上面都是實現(xiàn)電源功能的元件，大的電感，電容，電阻，二極管……一個字總結(jié)，就是元件都很“大”。
這類設(shè)計應(yīng)對大電流的設(shè)計挑戰(zhàn)，解決方法也是簡單粗暴的。盡量粗的走線，盡量寬的銅箔，如果還不能滿足，那就厚銅，2oz不行就4oz，再不行就6oz，10oz，甚至12oz。我們在各研討會都有展示的一款厚銅板，就是12oz的銅箔厚度設(shè)計。小小一塊板子，顯得非常厚重，我們的工藝專家東哥的介紹就是：居家旅行，防身必備 ^-^
而傳統(tǒng)的設(shè)計規(guī)則應(yīng)對這類電源板的大電流，也是簡單粗暴的過設(shè)計。所以大家心目中的載流答案經(jīng)常是非常保守的，比如1安培電流，大約需要40mil的線寬；而一個10~12mil的過孔，只能承載0.5安培的電流，我甚至聽到有人回答說12mil的過孔承載0.2安培電流。我當(dāng)時就在想，如果你的設(shè)計是20安培電流，那你需要打多少過孔呢？
所以我們來到電源設(shè)計的另一個挑戰(zhàn)……
低壓大電流電源的設(shè)計難點
其實高壓低壓，并不是這兩類問題的主要分界點。我真正想說的主要區(qū)別是，現(xiàn)在傳統(tǒng)的功能電路，也就是我們設(shè)計的CPU，DSP，大規(guī)模的FPGA，Core電流經(jīng)常就有幾十安培，IO電源的電流也變得越來越大。電源設(shè)計的趨勢如下圖所示：
這時候的大電流，已經(jīng)不可能使用厚銅板了，因為畢竟板上還有大量的信號線，線寬只有幾mil。而銅皮的面積，有時候限于“層”資源以及大量的密集過孔，有限的銅皮面積也很難無限加大。
如下圖的設(shè)計，密集的過孔，有限的板子面積以及層數(shù)，我們?nèi)绾螒?yīng)對大電流設(shè)計的挑戰(zhàn)呢？我們?nèi)绾斡嬎惚仨毜妮d流通道（包括銅皮寬度及過孔數(shù)量）呢？
而低電壓，也會帶來另外設(shè)計難點。如上一篇文章說的，電流越大，一般來說對應(yīng)的△I也就可能越大，一定的電感下，感應(yīng)出的△V也就越大。而較低的電壓，本身設(shè)計的裕量就小，設(shè)計的難度就變得更大。
如下圖所示，DC和AC的問題，一起構(gòu)成了電源設(shè)計的問題。
一個電源，要滿足5%的設(shè)計裕量，是必須AC和DC一起考慮的。
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