说好不哭,直到电流“烧”红了过孔……

来源:一博自媒体 时间:2019-9-23 类别:微信自媒体

作者:姜杰   一博科技高速先生团队队员

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。
 
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。

供电模块VRM与用电端SINK的相对位置如下。


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)。
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?!

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。

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。 
 
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。
 
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。

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。

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?


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。 

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。

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