電源設計面臨的挑戰

2016-12-20  by:CAE仿真在線  來源:互聯網

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計,而是絕大多數大電流的單板,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。所以我總結為高壓大電流的設計挑戰。

應對高壓,我們要關注安規,注意各種安全距離,包括空氣間隙,爬電距離等。關心阻燃,絕緣等安全相關的設計要求。這是另外一個很大的范疇,在這里就不一一贅述了,大家關心的可以找相關資料看看,一博科技也有相關的專家負責安規的設計。

這類設計,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功能電路,也就是說你的CPU,DDR顆粒,大規模的FPGA等,這些電路你不會放在電源板上去實現。電源板就是電源板,上面都是實現電源功能的元件,大的電感,電容,電阻,二極管……一個字總結,就是元件都很“大”。

這類設計應對大電流的設計挑戰,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 ^-^

而傳統的設計規則應對這類電源板的大電流,也是簡單粗暴的過設計。所以大家心目中的載流答案經常是非常保守的,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。我當時就在想,如果你的設計是20安培電流,那你需要打多少過孔呢?

所以我們來到電源設計的另一個挑戰……

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別是,現在傳統的功能電路,也就是我們設計的CPU,DSP,大規模的FPGA,Core電流經常就有幾十安培,IO電源的電流也變得越來越大。電源設計的趨勢如下圖所示:

這時候的大電流,已經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。

如下圖的設計,密集的過孔,有限的板子面積以及層數,我們如何應對大電流設計的挑戰呢?我們如何計算必須的載流通道(包括銅皮寬度及過孔數量)呢?

而低電壓,也會帶來另外設計難點。如上一篇文章說的,電流越大,一般來說對應的△I也就可能越大,一定的電感下,感應出的△V也就越大。而較低的電壓,本身設計的裕量就小,設計的難度就變得更大。

如下圖所示,DC和AC的問題,一起構成了電源設計的問題。

一個電源,要滿足5%的設計裕量,是必須AC和DC一起考慮的。

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