電源設計如果只看電壓跌落，不看電流密度會(huì )怎么樣？

大家知道，電源直流設計的理論其實(shí)非常的簡(jiǎn)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(jīng)過(guò)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(guān)注的結果。

在PCB設計中，從電源芯片出發(fā)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(guò)孔，走線(xiàn)等路徑。作為PCB的主要導電原料，銅本身就是一個(gè)具有特定電阻率的導體，因此有電流經(jīng)過(guò)時(shí)就會(huì )產(chǎn)生壓降，從而使最終到達負載端的電壓降低。

很多人其實(shí)都是這樣覺(jué)得，只要關(guān)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(mǎn)足芯片的接收要求，例如5%，如果滿(mǎn)足就沒(méi)問(wèn)題了。

下面我們用一塊簡(jiǎn)單的銅皮來(lái)分析這種情況。在這塊簡(jiǎn)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(gè)簡(jiǎn)單的壓降仿真就可以知道，電壓在負載端接收的時(shí)候壓降到底能不能滿(mǎn)足要求，仿真結果是這樣的。

很簡(jiǎn)單是吧，這塊銅皮在傳輸電流的時(shí)候會(huì )產(chǎn)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(shí)電源為0.972V，還行，滿(mǎn)足3%的壓降。

是的，很多剛入行的工程師們的確就是只關(guān)注負載端的壓降，壓降滿(mǎn)足要求就完事了。那么聽(tīng)高速先生的言下之意，還有其他的指標要去關(guān)注咯？難道你們沒(méi)發(fā)現，在歐姆定律中電阻表征為鏈路中的銅皮過(guò)孔走線(xiàn)這些東西，電壓我們關(guān)注了鏈路和最終負載端的值，那電流呢？當然高速先生說(shuō)的不是只是關(guān)注上面寫(xiě)著(zhù)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(guān)注下電流在上面的分布，給它一個(gè)專(zhuān)業(yè)名詞，叫電流密度分布。

還是上面那個(gè)case，這塊銅皮的電流傳輸過(guò)程中的電流密度圖是這樣的：

大概是27A/mm2的樣子，有經(jīng)驗的同事都知道這個(gè)值是不大的。那問(wèn)題來(lái)了，為什么我們要關(guān)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(gè)定律，叫焦耳定律。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)就是電流不僅會(huì )導致壓降，同樣在電流密度大的地方還會(huì )產(chǎn)生熱量，也就是說(shuō)電流密度還會(huì )影響到PCB的溫度！

既然知道了電流密度會(huì )引起溫度的上升，那如果有條件的話(huà)，我們的仿真其實(shí)就需要進(jìn)行電熱的仿真了。還是以這塊銅皮來(lái)進(jìn)行電熱仿真，在同樣1V輸出，2.5A電流的情況下，我們來(lái)看看這塊銅皮的溫度有沒(méi)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(shuō)電熱仿真會(huì )在25度的基礎上進(jìn)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(huì )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(guò)10度了，而且你以為板子溫度升高就完事了？沒(méi)那么簡(jiǎn)單，它反過(guò)來(lái)又會(huì )影響到電流密度和壓降。我們再來(lái)看看銅皮在這個(gè)溫度下的負載端的電壓結果：

你會(huì )發(fā)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(wú)法滿(mǎn)足原來(lái)3%的壓降要求了。

看起來(lái)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(jīng)不能忽略了！如果你打開(kāi)做過(guò)的PCB設計來(lái)看看，你甚至會(huì )發(fā)現擁有這么理想的完整平面來(lái)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(jué)得這個(gè)平面很夸張，事實(shí)上真正的PCB設計里，有的地方比這個(gè)也好不了多少哈！

或者電流如果不是2.5A，而是25A的話(huà)，這個(gè)電流密度的影響大家覺(jué)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(huà)，裕量會(huì )不會(huì )就更小了呢？

問(wèn)題來(lái)了：

大家覺(jué)得PCB上的哪些地方電流密度會(huì )比較大，又該通過(guò)什么設計手段去優(yōu)化呢？