电源设计如果只看电压跌落，不看电流密度会怎么样？

原创高速先生 2024-01-15 11:43

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公众号 | 高速先生

作者 | 黄刚

大家知道，电源直流设计的理论其实非常的简单，归根到底就是欧姆定律，电源芯片给负载供给电流，电流经过传输路径有一定的压降，最终到达负载端的电压值就是我们接收芯片关注的结果。

在PCB设计中，从电源芯片出发到负载端接收，中间能导致电压跌落的因素就是我们的PCB设计链路，包括了铜皮，过孔，走线等路径。作为PCB的主要导电原料，铜本身就是一个具有特定电阻率的导体，因此有电流经过时就会产生压降，从而使最终到达负载端的电压降低。

很多人其实都是这样觉得，只要关注链路上的压降情况，再看看到达负载端的电压跌落程度是否满足芯片的接收要求，例如5%，如果满足就没问题了。

下面我们用一块简单的铜皮来分析这种情况。在这块简单的铜皮上，左边定义为电源的输出端，右边定义为负载端。

假设电源输出电压为1V，输出电流为2.5A，负载端允许的压降为3%。

那么做一个简单的压降仿真就可以知道，电压在负载端接收的时候压降到底能不能满足要求，仿真结果是这样的。

很简单是吧，这块铜皮在传输电流的时候会产生压降，因此从左边的电源输出端到右边的负载接收端压降慢慢降低，最终到达负载端时电源为0.972V，还行，满足3#的压降。

是的，很多刚入行的工程师们的确就是只关注负载端的压降，压降满足要求就完事了。那么听高速先生的言下之意，还有其他的指标要去关注咯？难道你们没发现，在欧姆定律中电阻表征为链路中的铜皮过孔走线这些东西，电压我们关注了链路和最终负载端的值，那电流呢？当然高速先生说的不是只是关注上面写着的2.5A电流，而是和电压在铜皮上的分布一样，我们也需要去关注下电流在上面的分布，给它一个专业名词，叫电流密度分布。

还是上面那个case，这块铜皮的电流传输过程中的电流密度图是这样的：

大概是27A/mm2的样子，有经验的同事都知道这个值是不大的。那问题来了，为什么我们要关注电流密度呢？这就是这篇文章的核心内容了。除了欧姆电流外，我们就需要知道另外一个定律，叫焦耳定律。简单来说就是电流不仅会导致压降，同样在电流密度大的地方还会产生热量，也就是说电流密度还会影响到PCB的温度！

既然知道了电流密度会引起温度的上升，那如果有条件的话，我们的仿真其实就需要进行电热的仿真了。还是以这块铜皮来进行电热仿真，在同样1V输出，2.5A电流的情况下，我们来看看这块铜皮的温度有没有变化哈。值得注意的是，不做电热仿真和这里做电热仿真的初始温度，设定的室温都是25度，也就是说电热仿真会在25度的基础上进行。

可以看到，同样的电流条件下，电热仿真得到的铜皮温度大概会上升到38度左右。