電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)

2016-12-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯(lián)網(wǎng)

時(shí)間退回十年或者二十年之前,那個(gè)時(shí)代不是沒有大電流的電源設(shè)計(jì),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(huì)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(shí),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(jì)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(jì)要求。這是另外一個(gè)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(jì)。

這類設(shè)計(jì),也會(huì)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(gè)特點(diǎn),就是上面基本不會(huì)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(huì)放在電源板上去實(shí)現(xiàn)。電源板就是電源板,上面都是實(shí)現(xiàn)電源功能的元件,大的電感,電容,電阻,二極管……一個(gè)字總結(jié),就是元件都很“大”。

這類設(shè)計(jì)應(yīng)對大電流的設(shè)計(jì)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(huì)都有展示的一款厚銅板,就是12oz的銅箔厚度設(shè)計(jì)。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(jì)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(jì)。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(gè)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(shí)就在想,如果你的設(shè)計(jì)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(jì)的另一個(gè)挑戰(zhàn)……

其實(shí)高壓低壓,并不是這兩類問題的主要分界點(diǎn)。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(jì)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(jì)的趨勢如下圖所示:

這時(shí)候的大電流,已經(jīng)不可能使用厚銅板了,因?yàn)楫吘拱迳线€有大量的信號線,線寬只有幾mil。而銅皮的面積,有時(shí)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(jì),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(jì)的挑戰(zhàn)呢?我們?nèi)绾斡?jì)算必須的載流通道(包括銅皮寬度及過孔數(shù)量)呢?

而低電壓,也會(huì)帶來另外設(shè)計(jì)難點(diǎn)。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(jì)的裕量就小,設(shè)計(jì)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(jì)的問題。

一個(gè)電源,要滿足5%的設(shè)計(jì)裕量,是必須AC和DC一起考慮的。

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