PCB設計における電源電圧降下を分かりやすく説明

PCB 設計において、電源は無視できないトピックです。特に現在、多くの PCB 製品の電源電圧はますます低くなり、電流はますます高くなり、多くの場合数百アンペアです。したがって、人々は電源の完全性にますます注意を払っています。この記事では、PCB の電源電圧降下の問題に焦点を当てています。

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理論的には、中学校の物理の知識に電圧降下の計算を適用する必要があります。電源電圧降下＜v×許容差＝i×r（直流抵抗）は非常にシンプルと言えます。電圧降下を減らす方法もよく知られていますが、電源パスとリターンパスの DC インピーダンスが減少します。したがって、PCB を設計する際、PCB レイアウトエンジニアは次の要件をよく耳にする必要があります。

これらの 8mil の小さな穴を 16mil の大きな穴に置き換えてください。

この電源は何度も変更することはできません。調整してください。

この電源層を 2 オンスの銅箔に置き換えます。

多くの自信を持った PCB エンジニアは、電流容量だけではないと考えるかもしれません。経験式に従って、ビアの数と銅板の幅を計算しました。電源は適切でなければなりません。問題ありません。だまされやすい年齢は過ぎました。

実際、電圧降下は電気端子の電圧のみに依存しますか? いいえ、電源電圧降下は全身に影響するシステムです。システムのパラメータを変更すると、最終結果に影響します。このシステムを理解するには、電源の流れの方向を知る必要があります。

圧力損失について簡単に説明します

上部はパワープレーン。マークされたルートは、電流密度が最も高い部分です。緑色の部分は、電源からリターングランドプレーンまでの最も近いパスです。上記から、パスが近づくほど、より多くの電流が流れることがわかります。私たちと同じように、近道をすることを好みます。パワーエンドまで力を蓄えるため、抵抗の少ない道を進みたい。

この特性により、一部の領域で高電流密度が発生し、一部のビアを介して高電流が発生します。したがって、経験式に従って対応する数のビアを追加する代わりに、電流は平均的な分布方法でビアを通過します。これにより、一部のビアを通過する電流が容量範囲を超えます。ボードを一定期間使用すると、ビアの中央が破損し、ビアの寿命とボードのサービスサイクルに影響を与える場合があります。したがって、一部の大電流電源では、ビアをきれいに追加すると、ビア電流のサイズに影響を与える可能性があります。現時点では、ビアを追加するのは難しく、電源出力近くのビア電流が高くなるため、シミュレーションを使用してビアアレイの追加をガイドすることをお勧めします。

同じことが電流密度にも当てはまります。電流密度は、電力出力と電力消費の間の最も近い経路で比較的高くなります。最も近いパスがまさにボトルネック領域である場合は、電源パスを変更する必要があります。

別の要因は、温度と風速である電源の電圧降下にも影響します。温度は主に導体の抵抗率に影響します。温度が上昇すると、抵抗率が増加し、導体の直流抵抗も増加します。したがって、消費電力が大きい場合は、放熱も考慮した電源設計が必要です。

要約すると、PCB 電源を設計するときは、電流が流れる銅シートの幅とビアの数を満たすことに加えて、各回路基板のビアの電流サイズ、電源経路の電流密度にも注意を払う必要があります。ボードの作業環境、温度上昇、その他の要因。