厲害不？遇到電流密度超標(biāo)，我第一時(shí)間就加銅厚

公眾號 | 高速先生

作者 | 黃剛

最近的文章要么圍繞著高速優(yōu)化來講，要么研究加工因素對信號的影響，我懂的，看到大家都有點(diǎn)審美疲勞了是吧。或者另外有一幫朋友們內(nèi)心都開始抱怨了：我的產(chǎn)品又沒那么高速，你們老在講高速這玩意，沒有我的閱讀和點(diǎn)贊，怪不得你們的文章閱讀量那么低了。Sorry，sorry，高速先生肯定不僅僅是高速啦，那今兒我們就變個(gè)花樣，我們來講講電源的設(shè)計(jì)案例！

電源設(shè)計(jì)，大家覺得最重要的哪個(gè)指標(biāo)呢，是負(fù)載端的壓降要求，還是路徑中的電流密度，還是板子和芯片的發(fā)熱？高速先生可以很負(fù)責(zé)任的告訴大家，其實(shí)……它們都很重要！先別罵人啊，的確是這樣的，上述說到的三者互相是有關(guān)聯(lián)的，電流密度小了，達(dá)到負(fù)載端的壓降就跌落小啊，然后電流密度小，板子和芯片的發(fā)熱自然也變小嘛……

所以我們心為電源設(shè)計(jì)要關(guān)注的最重要的指標(biāo)已經(jīng)呼之欲出了，那就是電流密度！它好了，其他指標(biāo)就一定會變好。所謂電流密度，從字面來理解也灰常的簡單，那就是單位面積的電流大小，它的單位一般是A/mm2，概念很簡單。哪怕不看PCB板，要是問你怎么降低電源的電流密度，估計(jì)大家也能說出個(gè)所以然來，要使單位面積的電流變小，要么加大電源平面，或者增加電源平面層，又或者增加電源平面層的銅厚，so easy！

是的，上面的方法在具體的PCB設(shè)計(jì)中也是成立的，今天給大家show一個(gè)例子。

最近做了一個(gè)盲埋孔的高速板卡設(shè)計(jì)，怎么！又要說高速？別那么敏感嘛，我們的意思只是想表達(dá)，為了高速信號，這個(gè)板子要用盲埋孔的設(shè)計(jì)來做，也包括芯片的電源設(shè)計(jì)嘛。VRM電源芯片在主芯片的左邊給它供電，如下圖所示：

針對這個(gè)芯片的大電流電源（大概30A）的設(shè)計(jì)，仿真一開始是沒介入的，只是我司的設(shè)計(jì)工程師自行設(shè)計(jì)，當(dāng)然也是有經(jīng)驗(yàn)的工程師了，畢竟這個(gè)板子是比較高速的盲埋孔的板。針對這一路電源，這位工程師的設(shè)計(jì)其實(shí)也沒什么太多可挑剔的，看到下圖這個(gè)主要的電源平面層，工程師已經(jīng)根據(jù)電流大小，按照經(jīng)驗(yàn)用上了1oz的銅箔，除了必要的一些過孔避讓外，該鋪大的也鋪得比較大了。

嗯，看著應(yīng)該還行，不過后面客戶還是不放心，同步增加了這個(gè)大電流電源的仿真。這個(gè)項(xiàng)目由我們SI這邊的工程師小春來負(fù)責(zé)，小春是一名很嚴(yán)謹(jǐn)?shù)腟I工程師，也是由我司一名優(yōu)秀的設(shè)計(jì)工程師轉(zhuǎn)崗過來的同事，對PCB設(shè)計(jì)也是輕車熟路。一開始小春就立馬對這個(gè)電源設(shè)計(jì)版本進(jìn)行了建模仿真，不仿不知道，一仿還真是嚇了6跳。看起來電流也不是很大，平面也鋪得比較不錯(cuò)，居然電流密度在瓶頸位置達(dá)到了接近250A/ mm2那么高！！！

雖然對電流密度的定義本身行業(yè)內(nèi)還沒有一個(gè)明確的標(biāo)準(zhǔn)，不過根據(jù)我司的經(jīng)驗(yàn)，也包括和其他大公司的一些合作，大體還是達(dá)成了一些共識。例如在BGA區(qū)域要盡量做到200A/ mm2以內(nèi)，有條件的話最好做到150A /mm2以內(nèi)就更好了。完了，還認(rèn)為可以立馬投板了，仿真了才知道原來電流密度那么大。

慌倒是不慌，看到這個(gè)結(jié)果后，連PCB工程師都知道怎么解決，為什么要慌呢，是吧。于是PCB工程師就提了個(gè)非常切實(shí)而高效的建議，啥設(shè)計(jì)都不用改，直接把電源平面層的銅厚從現(xiàn)在的1oz增加到2oz唄！

不得不說，還真的賊有效！設(shè)計(jì)完全不用變，按照2oz的銅厚重新仿真的話，電流密度從1oz的250A/ mm2直接降到不到132 A/ mm2，指標(biāo)滿足得簡直不能再好了。

交差交差，讓板廠重新備料，由之前用的1oz銅變成2oz銅。重新備料？對，因?yàn)槭歉咚侔宀模旧硪呀?jīng)按照1oz去備料了，當(dāng)時(shí)大家都覺得也就30A的電流，1oz夠夠的嘛，所以就去備料了啊，這個(gè)時(shí)候料到快備好了，你突然告訴我你要改2oz，這不肯定需要重新備啊，時(shí)間多2周……

客戶時(shí)間來不及啊，急著要拿到板子去驗(yàn)證！那咋辦，看起來1oz是改不了啦！壓力全給到了SI工程師小春這里，因?yàn)橹荒芸纯茨懿荒芨倪@個(gè)電源的設(shè)計(jì)了。還好小春本身有深厚的設(shè)計(jì)功底，可以快速的自己修改設(shè)計(jì)然后再仿真驗(yàn)證迭代，他注意到原設(shè)計(jì)電流密度高的地方，也就是瓶頸區(qū)域，是在其他信號過孔反焊盤的夾縫處，要么有沒有一種可能，只要能把這個(gè)地方瓶頸位置的平面變大，應(yīng)該能降低比較可觀的電流密度值。小春留意到這塊是盲埋孔的設(shè)計(jì)，信號過孔的位置有更多的自由度，于是很快就改出了一個(gè)版本，如下所示：

小春把之前從左邊的VRM進(jìn)來到芯片電流路徑上的其他信號過孔的扇出方式從之前的豎著打變成橫著打，這樣看起來過孔反焊盤之間的有效通流平面就寬了不小！嗯，理論是應(yīng)該非常的good，然后小春再把這個(gè)自己改出來的版本仿真驗(yàn)證下，電流密度的改善度賊大！直接從之前豎著打的250A/mm2降到了160A/mm2，很好的達(dá)到了指標(biāo)！

最后總結(jié)兩句，這篇文章對設(shè)計(jì)工程師就很不“友好”了？明明可以很簡簡單單增加銅厚解決的事情，非要重新改設(shè)計(jì)來做好！改設(shè)計(jì)又花時(shí)間又花精力，還不一定能改出來。但是轉(zhuǎn)念一想，這樣的話既能很好的提高設(shè)計(jì)工程師的設(shè)計(jì)水平，又能通過實(shí)踐提高自己相關(guān)的SI理論，最重要的是能很好的保證客戶既定的一些交期目標(biāo)，難是難了點(diǎn)，但是帶來的好處還是很多的哈！

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