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[PCB] 说好不哭,直到电流“烧”红了过孔……

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发表于 2019-9-27 15:12 | 只看该作者 回帖奖励 |倒序浏览 |阅读模式

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微信公众号 | 高速先生% ?* `# O5 ^, d4 @3 z0 p' z
文 | 姜杰- `5 H  v4 h, E  i  z
' o! G( r4 s* L. i2 V0 G. w+ G

0 b2 P; n2 q+ O) Q5 ?% i8 t4 L2 T不走寻常路的电流是PCB设计中的“刺头”,有时明明给它铺好了阳关道,它却偏偏要走独木桥,让人欲哭无泪。9 a, ]. H  y( q+ ^1 Z; E
就像高速先生之前遇到的一个案例,电源输出过孔排列的整整齐齐,虚位以待,电流偏偏舍近求远,就挑了几个你意想不到的过孔硬刚到底。
* R, O. {$ f5 y2 A. H% G供电模块VRM与用电端SINK的相对位置如下。6 K6 i2 W. M& H# M0 _
6 s- b( X, m# ?; \/ J7 y" W( p2 r
其中,VRM采用DC-DC开关电源,DC-DC外围电感L5电源输出管脚附近的过孔分布均匀,内圈过孔与管脚的间距d1=d2=d3(局部放大图如下)。
" Q) G' |2 }. c4 U. v! M  `4 i" n* n+ \: U
看起来似乎没啥毛病,按照预期,电流至少会在离L5电源输出管脚最近的内圈过孔上均匀分布。不过,再一想SINK端与VRM端的相对位置,有些朋友开始犯嘀咕了,电流都是喜欢走捷径(电阻较小的路径)的,那么,离SINK端更近的左下方的过孔通流会不会多点呢?高速先生一开始也是这么想,但是仿真的结果却让人大跌眼镜:过孔电流分布图显示,在电流流向的反方向(白色方框区域),有几个过孔通流较大,这是怎么回事?!
$ _7 h0 T0 z/ A9 v0 Y2 p7 y2 S; x+ K/ l. T* F
打破砂锅问到底是高速先生的一贯风格。通过仔细分析过孔载流,发现过孔通流除了与电源输出管脚的间距有关系,似乎与过孔阵列的缺口方向也存在某种神秘的关联。- T% I; ~5 D! [- _2 Y& z
& h0 X% N1 r" Y+ B$ Z3 Y  r

+ `* [. P% H, J  n4 ^# @
6 T) C5 F& l  P大胆假设,小心求证,困难看淡,说干就干。先把模型简化,删除板上其它器件和走线,保留内层电源、地平面的连接,同时,将VRM用一端电源输出、另一端接地的电容代替,调整VRM与SINK的相对位置。简化后的模型如下。4 O/ }! W8 X: \7 U- r5 N
简化模型的VRM端过孔电流分布已初露端倪,似乎能看出点趋势来了。
6 ?7 g; \$ F* Q, t3 o; Y
: W2 W, L6 d- z7 U! w为了能进一步说明问题,我们继续调整过孔阵列的缺口方向,比较过孔载流的情况。7 b$ b0 I2 m! j8 ?2 e

& q, W; K! O+ Y  }/ d只看阵列缺口对称时的情况似乎还不够全面,那就再看看不对称时的载流。0 t5 E( N  D7 I+ T1 \) f

7 {; c/ a2 r4 q1 {# C; ~% `想必各位已经看出规律了:在电源输出过孔与管脚间距相同的情况下,最靠近阵列缺口的过孔载流最大。为什么会出现这种现象呢?# ~% q. q% M) d& D0 B, N9 U

. t% c" v+ x) B. H; l* J9 w" X1 {

/ d) e  G: j: O/ h' v不妨再来看看电流密度图。以左侧的电源输出管脚为例,一开始电流以管脚为中心向四周均匀发散,对于有过孔分布的三个方向,电流会迅速找到最近的过孔,流向内层电源平面。而从过孔阵列缺口溜出来一部分电流,遭遇大概是这样的:出发时扫眼一看,一马平川,前方全是铜皮,没有过孔挡路,好嗨哟,跑着跑着发现没路了,不知谁喊了一嗓子:“此路不通,拐啦拐啦!”于是,逃窜出来的大部分电流又猛打方向,掉头钻进了离缺口最近的过孔。
4 L' w" v9 v) Z这么一折腾,出现阵列缺口附近过孔载流最大的现象也就不足为奇了。
3 ^% c. ]5 T) A- |) J6 u) ]( m$ k  J8 x

0 z. t8 D+ b  j+ I' M1 |7 }! _" J: |; R1 `+ Q5 H5 m3 O
— end —% D$ R+ n# `3 g2 u6 V+ Y

& p" `3 B( Q/ `" ^: I- f# a本期提问
" d5 {* m- r6 ^& X  d# M7 _7 i; f& E& w2 G) s0 z
保持同样的过孔间距,阵列缺口补上之后VRM端载流最大的过孔会出现在哪个位置呢?( m! Z" T4 o: M  A1 c; E! k
! H, a6 I& m5 ^* @& E
4 E" o& N: `2 B% L
& j% k; q. K! C% U" e# c

# R" l) w, |: {' H% r7 N3 Q" ~* {. `1 E, X/ g3 X) h# r9 Z% J

$ }# h& [3 \5 K6 W
* Z+ k6 F: E6 ~9 T% b' B* @5 z2 x( i$ x/ s
————你可能错过的往期干货————
* }9 P) `/ Y+ e3 Z! P0 N1 P
* D. U1 ]& H  i6 G
没空间啦,我能不往板边走线吗!
: G; S# o4 ^# Y# W: K& T宝藏文,高速先生所有原创技术文章,戳戳戳!
( L# G! ?4 x0 R5 P
' l/ Y3 @4 O6 ?7 z7 u" N- q% Y0 `) Q' D& J1 F1 M
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觉得内容还不错的话,给我点个“在看”呗/ H% ?+ j$ Q- T# d! R% N* K2 s
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