高低压大电流电源设计面临的挑战及难点

开场白的时候，提到了电源设计最重要的因素是电流，电流大小决定了电源设计的难度。那么电源的电流是这几年才开始变大的吗？早些年没有大电流的电源设计吗？答案当然是否定的！那么这些年电源设计的大电流和之前有什么区别呢？

我的总结是：一个是高压大电流，一个是低压大电流。

高压大电流电源的设计难点

时间退回十年或者二十年之前，那个时代不是没有大电流的电源设计，而是绝大多数大电流的单板，都是电源板或者背板。普通的功能板或者板卡类单板，由于芯片工作的IO电压大多是3.3V，5V，电流通常也不会太大，大多在10A以下，常见的就是几安培。而电源板或者背板，电流大的同时，电压也比较高，12V，36V，48V以上。所以我总结为高压大电流的设计挑战。

应对高压，我们要关注安规，注意各种安全距离，包括空气间隙，爬电距离等。关心阻燃，绝缘等安全相关的设计要求。这是另外一个很大的范畴，在这里就不一一赘述了，大家关心的可以找相关资料看看，一博科技也有相关的专家负责安规的设计。

这类ＰＣＢ设计，也会有大电流，几十安培或者上百安培。但是这种板子有另外一个特点，就是上面基本不会出现功能电路，也就是说你的CPU，DDR颗粒，大规模的FPGA等，这些电路你不会放在电源板上去实现。电源板就是电源板，上面都是实现电源功能的元件，大的电感，电容，电阻，二极管……一个字总结，就是元件都很“大”。

这类设计应对大电流的设计挑战，解决方法也是简单粗暴的。尽量粗的走线，尽量宽的铜箔，如果还不能满足，那就厚铜，2oz不行就4oz，再不行就6oz，10oz，甚至12oz。我们在各研讨会都有展示的一款厚铜板，就是12oz的铜箔厚度设计。小小一块板子，显得非常厚重，我们的工艺专家东哥的介绍就是：居家旅行，防身必备 ^-^

而传统的设计规则应对这类电源板的大电流，也是简单粗暴的过设计。所以大家心目中的载流答案经常是非常保守的，比如1安培电流，大约需要40mil的线宽；而一个10~12mil的过孔，只能承载0.5安培的电流，我甚至听到有人回答说12mil的过孔承载0.2安培电流。我当时就在想，如果你的设计是20安培电流，那你需要打多少过孔呢？

所以我们来到电源设计的另一个挑战……

低压大电流电源的设计难点

其实高压低压，并不是这两类问题的主要分界点。我真正想说的主要区别是，现在传统的功能电路，也就是我们设计的CPU，DSP，大规模的FPGA，Core电流经常就有几十安培，IO电源的电流也变得越来越大。电源设计的趋势如下图所示：

这时候的大电流，已经不可能使用厚铜板了，因为毕竟板上还有大量的信号线，线宽只有几mil。而铜皮的面积，有时候限于“层”资源以及大量的密集过孔，有限的铜皮面积也很难无限加大。

如下图的设计，密集的过孔，有限的板子面积以及层数，我们如何应对大电流设计的挑战呢？我们如何计算必须的载流通道（包括铜皮宽度及过孔数量）呢？

而低电压，也会带来另外设计难点。如上一篇文章说的，电流越大，一般来说对应的△I也就可能越大，一定的电感下，感应出的△V也就越大。而较低的电压，本身设计的裕量就小，设计的难度就变得更大。

如下图所示，DC和AC的问题，一起构成了电源设计的问题。

一个电源，要满足5%的设计裕量，是必须AC和DC一起考虑的。