PCB设计上如何将IR压降降低

为了向当今的大电流，低压PCB上的负载提供指定的电源电压，设计人员必须通过了解可用的解决方案及其权衡因素，将IR压降降低。

尽管低功耗组件的大量使用，但当今的印刷电路板（PCB）仍需要大量电流，而常用的电路板消耗50、100甚至200 A的电流。每当电流传递给负载时，都会存在基于IR的压降，设计人员在对电路板进行布局以及放置电源，直流电源轨和负载时必须考虑这一损耗。为了保持一致和可靠的运行，重要的是要确保该压降不会将这些直流电源电压推到其频带的下限。通常，它是标称值的正负几个百分点。诸如FR-4之类的PCB层压板上的铜（之所以称呼是因为每平方英尺重1盎司），厚度为35 µm；2盎司 当然，铜的厚度是原来的两倍，而“薄”的铜则只有一半。使用1盎司。铜作为一个例子，一个10厘米长，1毫米宽的跟踪将具有约50μm的电阻Ω（铜的电阻率是1.74 × 10 -8 Ω⋅m在20 ° C）。有许多方便的在线电阻计算器，例如Trance-Cat的 计算器（图1）。

图1

如果通过该走线提供10 A电流，则IR压降约为500 mV（0.5 V），这是很大的。这意味着负载处的直流电源电压比电源电压低一半，而且还浪费了功率（I 2 R）和伴随的散热。请注意，压降不是电源轨标称电压值的函数，它仅取决于电流和电阻。因此，一个15 V的电源轨的损耗与一个3 V的电源轨相同，但是在较低的电压下，比例损耗要大得多。情况可能变得更糟。某些设计将低电阻接地层（通常作为独立的PCB层）用于模拟和数字信号接地以及dc电源返回接地。但是，许多设计都受益于（或要求使用）信号和电源接地的单独接地路径，以降低噪声，甚至可以使用单独的直流回路。在这种情况下，IR压降实际上增加了一倍，其中一个压降使电源输出轨负载，而第二个压降使负载电流返回电源。

克服红外压降

设计人员有多种选择可降低IR压降：在中间总线转换器（IBC）布置中使用较高电压的直流电源轨，例如48 V或12/12 V dc，然后在靠近各自的位置放置多个本地负载点（PoL）dc-dc转换器负载。这解决了IR下降问题（并且还大大减少了导轨中的噪声吸收），但是却增加了DC-DC转换器和PCB面积的成本。尽管如此，它还是一种较多使用且有效的解决方案。调整直流标称电源值以预补偿IR压降。这是一种有效的“解决方法”，但同时也带来了一些风险。

-某些其他非常好或偏爱的耗材无法调节，因此必须排除在外。

-如果在使用过程中负载电流需求下降（几乎总是如此），则IR下降也将下降，并且电源实际上可能会提供过高的电源电压。

-如果必须在现场更换电源，则可能无法将补偿设置为补偿电压或调整不当，从而导致电路无法正常工作或电路断断续续。

使用远程感测，这是某些耗材支持的开尔文感测的一种变体。电源具有两条额外的引线，因此，即使IR下降和负载发生漂移，它也可以检测负载处的电压并动态调整其输出以保持该值。这是有效的，但也有缺点：

-传感反馈回路的动态响应可能不够快而无法补偿，或者可能太快，过冲和振荡。

-感测引线形成物理上较大的反馈环路，可能会吸收系统噪声，从而导致电源误读所感测的值；再次，这甚至可能引起供电轨的振荡。

考虑其他解决方案

所有这些选项都在使用中，并且它们都可以在定义明确且受控的条件下工作，但是它们都是“解决方法”和“补丁”，它们是从技术上更强大，更可靠的解决方案，其减少了跌落。同样，还有选择和权衡：

使用较厚的铜包层；2盎司 甚至3盎司 可用。厚度加倍会使电阻减半，但这样做会增加原始PCB材料的成本并增加板重；将更多的铜放到不需要的地方；并且由于化学蚀刻或附加电镀所需的额外时间而增加了制造时间，这是可以创建PCB铜路径的两种方式。

使用更宽的PCB走线；同样，将宽度加倍会使阻力减半。但是，成本是这些直流电源轨及其接地回路的额外PCB“不动产”。一些先进的布局会尽可能使用较宽的走线，但也会通过缩小走线来避开板上的障碍物和狭窄的间隙区域。如果10厘米的行程仅在行程的一厘米处狭窄，则电阻的增加显然仅发生在该短段上。

使用立式母线（也拼写为母线或母线）来布线电源，从而使用未使用的z轴（高度）尺寸。即使该板是薄型SMT设计，通常也会留有相对较厚的薄型母线的净空，因此它提供了低电阻的直流路径。这些杆中有许多是作为两层（或多层）结构提供的，一层用于一个或多个供电轨，另一层用于接地回路。成本只是BOM组件成本，对PCB本身的影响很小，因为它们不需要更厚的铜，更宽的走线或其他解决方法。

母线的厚度，高度层，引脚间距和长度范围很广。例如，E-Fab提供的一个母线具有两个铜层，这些铜层被绝缘体隔开（图2）。这些层具有交错的PCB引脚配置，以便引脚交替供电和接地。

图2

母线排提供了另一个“免费”的好处：它们使PCB变硬以防挠曲，这是大型板或在振动环境（军用/航空，汽车和许多其他应用）中要考虑的问题。某些设计仅将母线用于较高电流的负载，例如MOSFET或IBGT。这样可以降低其适度的成本，并减轻与电池条相关的布局问题（如果有），同时提高其有效性。

结论

从纯电气的角度来看，确保来自电源的全部标称电压到达负载，并以不明显的IR电压损耗或I 2R功耗达到负载，这对于可靠的非间歇性能至关重要。每个问题的解决方案都需要权衡，没有标准答案，但是每个问题的缺点都应仔细理解和评估。
编辑：hfy