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高速先生成员--黄刚 诚如高速先生所言，其实电源的直流压降和通流设计和仿真背后的原理真的很简单，那就是初中就学过的欧姆定律。请允许Chris不厌其烦的再再再一次给大家介绍下电源直流压降和通流设计或者仿真的本质。在电源输出端，也就是VRM端，主要是给负载，也就是Sink端提供电流，并保证原始的输出电压。但是在实际链路中免不了会产生直流电阻R，因此最终需要电流I的Sink端的电压就会比电源输出端的U减少I*R的值。
那在常规PCB板级设计中，在VRM和Sink端中间就是PCB的链路产生直流电阻R。再细化一下PCB的结构，其实就是电源的平面和换层过孔两大部分所产生，一个是水平面上的电阻，例如铜皮宽度，层数，铜厚等；一个是垂直面上的电阻，例如过孔数量，过孔大小等。为什么说大家普遍认为电源压降和通流的设计比较简单呢，因为除了理论简单之外，行业内还有不少免费的小软件可以在前期进行铜皮和过孔的通流评估。
例如今天要讲的关于过孔通流的设计问题中，首先我们用一些软件对电源过孔通流进行评估，在软件中输入具体过孔的大小，包括约束的温升等信息，就能够快速的得到它通流的大小。例如下面，差不多一个10mil的过孔外，在约束温升10度的情况下能过1A左右的电流。
嗯，然后我们就会根据不同过孔软件评估的通流数值，再加上10-20%的裕量，给设计部的同事进行推广，相当于给出不仿真情况下的过孔通流规则。
刚好Chris这周去我司的苏州分部出差，路过设计部时，无意中看到工作经验2年左右的小云同学在处理一个电源的设计。凑近一看，那是一个20A左右的core电源的设计，VRM电源在右上方，要往左下方的BGA芯片供电，由于层面的限制，中间电源平面需要从L8层换到L9层，于是Chris看到小云同学非常规整的在进BGA的边界处打了一排电源过孔进行换层。大概数了下，40个过孔左右。
小云看到Chris后，于是很自豪的说，按照高速先生给出的约束，1个10mil的过孔能过1A的电流，理论上20个过孔就可以过20A电流，为了保险，还特意打多一倍。小样，这20A电流还不轻轻松松搞掂！
的确看起来还行哈，过孔也打得比较规整，数量也是足够的，应该是比较理想的结果了吧。不过在Chris这里看来，还是发现一些隐藏的问题，还可以有进一步去优化的空间。于是在拜访客户之余的时间，拿着这个版本简单的做了个电源通流的仿真。你们猜猜仿真结果是怎么样的？
晚上Chris给分部进行培训，顺便就拿出了小云这个设计的案例进行分享。首先Chris让大家畅所欲言，看看这个电源设计怎么样？大部分同事都觉得挑不出太多毛病，过孔数量足够多，也打在距离BGA用电端外面最近的一排位置，常规不都这样做的嘛。分部里最资深的郭工和唐工根据他们多年的设计经验，隐隐感觉有点问题，电源位置和芯片位置是斜方向对应的，如果在水平或竖直方向对应的话这个设计没有问题，斜方向下来的电流感觉有点奇怪。
正所谓事出反常必有妖，有经验的设计工程师其实会下意识的感觉到不是很对，但是只是没法将这种感觉量化出来。于是Chris分享了小云同学这个过孔设计的通流仿真结果，不看不知道，一看吓好几跳。在这40个过孔的通流仿真结果中，每个过孔的通流差异灰常的巨大，实际也就只有右边的10个8个过孔能真正通流，左边的20个以上几乎不怎么过电流。最右边的过孔居然有超过2.5A电流要承载。从原理上我们也知道，过孔如果承受了它应该承受的电流大小后，轻则导致负载压降变大，重则发热严重，把自己烧了。
最后再稍微总结下呗。不是说一个过孔评估起来就过1A吗，更何况20A电流打了40个过孔，理论上1个过孔平均分0.5A就行了吗，为什么会出现过孔间通流那么大差异的情况？问题这不就出在“理论上”这三个字嘛。一些简单的评估软件是理论上的评估，它没法预料到电流要经过具体哪些区域，只是单纯的对这个过孔本身进行通流的预测，是有一定的参考作用，但是并不能百分百靠它。在这次培训中，Chris针对类似这样的案例进行了原理的分析并分享了一些优化的方案，大家听完后，突然自己又可以了。原来知道是什么影响了过孔间通流差异的现实版“欧姆定律”后，其实电流的设计也还是不是很难的嘛。
问题：到底这个设计过孔间通流差异巨大的原因是啥？如果是你们，又会怎么去优化呢？欢迎踊跃讨论哈！
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发表于 2024-10-29 08:41:05
