芯耀
与非AI
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公众号 | 高速先生，作者 | 黄刚
最近的文章要么围绕着高速优化来讲，要么研究加工因素对信号的影响，我懂的，看到大家都有点审美疲劳了是吧。或者另外有一帮朋友们内心都开始抱怨了：我的产品又没那么高速，你们老在讲高速这玩意，没有我的阅读和点赞，怪不得你们的文章阅读量那么低了。Sorry，sorry，高速先生肯定不仅仅是高速啦，那今儿我们就变个花样，我们来讲讲电源的设计案例！
电源设计，大家觉得最重要的哪个指标呢，是负载端的压降要求，还是路径中的电流密度，还是板子和芯片的发热？高速先生可以很负责任的告诉大家，其实……它们都很重要！先别骂人啊，的确是这样的，上述说到的三者互相是有关联的，电流密度小了，达到负载端的压降就跌落小啊，然后电流密度小，板子和芯片的发热自然也变小嘛……
所以我们认为电源设计要关注的最重要的指标已经呼之欲出了，那就是电流密度！它好了，其他指标就一定会变好。所谓电流密度，从字面来理解也灰常的简单，那就是单位面积的电流大小，它的单位一般是A/mm²，概念很简单。哪怕不看PCB板，要是问你怎么降低电源的电流密度，估计大家也能说出个所以然来，要使单位面积的电流变小，要么加大电源平面，或者增加电源平面层，又或者增加电源平面层的铜厚，so easy！
是的，上面的方法在具体的PCB设计中也是成立的，今天给大家show一个例子。
最近做了一个盲埋孔的高速板卡设计，怎么！又要说高速？别那么敏感嘛，我们的意思只是想表达，为了高速信号，这个板子要用盲埋孔的设计来做，也包括芯片的电源设计嘛。VRM电源芯片在主芯片的左边给它供电，如下图所示：
针对这个芯片的大电流电源（大概30A）的设计，仿真一开始是没介入的，只是我司的设计工程师自行设计，当然也是有经验的工程师了，毕竟这个板子是比较高速的盲埋孔的板。针对这一路电源，这位工程师的设计其实也没什么太多可挑剔的，看到下图这个主要的电源平面层，工程师已经根据电流大小，按照经验用上了1oz的铜箔，除了必要的一些过孔避让外，该铺大的也铺得比较大了。
嗯，看着应该还行，不过后面客户还是不放心，同步增加了这个大电流电源的仿真。这个项目由我们SI这边的工程师小春来负责，小春是一名很严谨的SI工程师，也是由我司一名优秀的设计工程师转岗过来的同事，对PCB设计也是轻车熟路。一开始小春就立马对这个电源设计版本进行了建模仿真，不仿不知道，一仿还真是吓了6跳。看起来电流也不是很大，平面也铺得比较不错，居然电流密度在瓶颈位置达到了接近250A/ mm²那么高！！！
虽然对电流密度的定义本身行业内还没有一个明确的标准，不过根据我司的经验，也包括和其他大公司的一些合作，大体还是达成了一些共识。例如在BGA区域要尽量做到200A/ mm²以内，有条件的话最好做到150A /mm²以内就更好了。完了，还认为可以立马投板了，仿真了才知道原来电流密度那么大。
慌倒是不慌，看到这个结果后，连PCB工程师都知道怎么解决，为什么要慌呢，是吧。于是PCB工程师就提了个非常切实而高效的建议，啥设计都不用改，直接把电源平面层的铜厚从现在的1oz增加到2oz呗！
不得不说，还真的贼有效！设计完全不用变，按照2oz的铜厚重新仿真的话，电流密度从1oz的250A/ mm²直接降到不到132 A/ mm²，指标满足得简直不能再好了。
交差交差，让板厂重新备料，由之前用的1oz铜变成2oz铜。重新备料？对，因为是高速板材，本身已经按照1oz去备料了，当时大家都觉得也就30A的电流，1oz够够的嘛，所以就去备料了啊，这个时候料到快备好了，你突然告诉我你要改2oz，这不肯定需要重新备啊，时间多2周……
客户时间来不及啊，急着要拿到板子去验证！那咋办，看起来1oz是改不了啦！压力全给到了SI工程师小春这里，因为只能看看能不能改这个电源的设计了。还好小春本身有深厚的设计功底，可以快速的自己修改设计然后再仿真验证迭代，他注意到原设计电流密度高的地方，也就是瓶颈区域，是在其他信号过孔反焊盘的夹缝处，要么有没有一种可能，只要能把这个地方瓶颈位置的平面变大，应该能降低比较可观的电流密度值。小春留意到这块是盲埋孔的设计，信号过孔的位置有更多的自由度，于是很快就改出了一个版本，如下所示：
小春把之前从左边的VRM进来到芯片电流路径上的其他信号过孔的扇出方式从之前的竖着打变成横着打，这样看起来过孔反焊盘之间的有效通流平面就宽了不小！嗯，理论是应该非常的good，然后小春再把这个自己改出来的版本仿真验证下，电流密度的改善度贼大！直接从之前竖着打的250A/mm²降到了160A/mm²，很好的达到了指标！
最后总结两句，这篇文章对设计工程师就很不“友好”了？明明可以很简简单单增加铜厚解决的事情，非要重新改设计来做好！改设计又花时间又花精力，还不一定能改出来。但是转念一想，这样的话既能很好的提高设计工程师的设计水平，又能通过实践提高自己相关的SI理论，最重要的是能很好的保证客户既定的一些交期目标，难是难了点，但是带来的好处还是很多的哈！
Q、本期提问：遇到不同的电流值，例如从10A到100A，你们分别会选择多少0z或者多少层电源平面层来设计呢？
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