電源設計如果只看電壓跌落，不看電流密度會怎么樣？

公眾號 | 高速先生

作者 | 黃剛

大家知道，電源直流設計的理論其實非常的簡單，歸根到底就是歐姆定律，電源芯片給負載供給電流，電流經過傳輸路徑有一定的壓降，最終到達負載端的電壓值就是我們接收芯片關注的結果。? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?

在PCB設計中，從電源芯片出發到負載端接收，中間能導致電壓跌落的因素就是我們的PCB設計鏈路，包括了銅皮，過孔，走線等路徑。作為PCB的主要導電原料，銅本身就是一個具有特定電阻率的導體，因此有電流經過時就會產生壓降，從而使最終到達負載端的電壓降低。

很多人其實都是這樣覺得，只要關注鏈路上的壓降情況，再看看到達負載端的電壓跌落程度是否滿足芯片的接收要求，例如5%，如果滿足就沒問題了。

下面我們用一塊簡單的銅皮來分析這種情況。在這塊簡單的銅皮上，左邊定義為電源的輸出端，右邊定義為負載端。

假設電源輸出電壓為1V，輸出電流為2.5A，負載端允許的壓降為3%。

那么做一個簡單的壓降仿真就可以知道，電壓在負載端接收的時候壓降到底能不能滿足要求，仿真結果是這樣的。

很簡單是吧，這塊銅皮在傳輸電流的時候會產生壓降，因此從左邊的電源輸出端到右邊的負載接收端壓降慢慢降低，最終到達負載端時電源為0.972V，還行，滿足3#的壓降。

是的，很多剛入行的工程師們的確就是只關注負載端的壓降，壓降滿足要求就完事了。那么聽高速先生的言下之意，還有其他的指標要去關注咯？難道你們沒發現，在歐姆定律中電阻表征為鏈路中的銅皮過孔走線這些東西，電壓我們關注了鏈路和最終負載端的值，那電流呢？當然高速先生說的不是只是關注上面寫著的2.5A電流，而是和電壓在銅皮上的分布一樣，我們也需要去關注下電流在上面的分布，給它一個專業名詞，叫電流密度分布。

還是上面那個case，這塊銅皮的電流傳輸過程中的電流密度圖是這樣的：

大概是27A/mm2的樣子，有經驗的同事都知道這個值是不大的。那問題來了，為什么我們要關注電流密度呢？這就是這篇文章的核心內容了。除了歐姆電流外，我們就需要知道另外一個定律，叫焦耳定律。簡單來說就是電流不僅會導致壓降，同樣在電流密度大的地方還會產生熱量，也就是說電流密度還會影響到PCB的溫度！

既然知道了電流密度會引起溫度的上升，那如果有條件的話，我們的仿真其實就需要進行電熱的仿真了。還是以這塊銅皮來進行電熱仿真，在同樣1V輸出，2.5A電流的情況下，我們來看看這塊銅皮的溫度有沒有變化哈。值得注意的是，不做電熱仿真和這里做電熱仿真的初始溫度，設定的室溫都是25度，也就是說電熱仿真會在25度的基礎上進行。

可以看到，同樣的電流條件下，電熱仿真得到的銅皮溫度大概會上升到38度左右。

就這2.5A的電流就能夠使這塊小銅皮溫升超過10度了，而且你以為板子溫度升高就完事了？沒那么簡單，它反過來又會影響到電流密度和壓降。我們再來看看銅皮在這個溫度下的負載端的電壓結果：

你會發現，板子溫度升高后，負載端的壓降也變大了。從之前的只做壓降仿真的972.4mV變成了電熱仿真的969.9mV，減小了2.5mV，也無法滿足原來3%的壓降要求了。

看起來這case驗證后的銅皮電流密度本身也不是很大，但是對溫升和壓降的影響已經不能忽略了！如果你打開做過的PCB設計來看看，你甚至會發現擁有這么理想的完整平面來做電源通流都是一件很奢侈的事情了。

例如用于通流的平面變成了下面這樣，你能想象最終的電流密度和溫升影響嗎？

別覺得這個平面很夸張，事實上真正的PCB設計里，有的地方比這個也好不了多少哈！

或者電流如果不是2.5A，而是25A的話，這個電流密度的影響大家覺得還小嗎？如果輸出電壓本身更低或者負載端的接收要求更高的話，裕量會不會就更小了呢？

大家覺得PCB上的哪些地方電流密度會比較大，又該通過什么設計手段去優化呢？