电源平面分明绰绰有余，直流压降缘何岌岌可危？

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原创文 | 姜杰 （一博科技高速先生团队队员)


7 W$ k& i  Z# I0 V新年新气象，改板新问题。说出来你可能不信，90A的电流，电源平面留足两层2oz铜，电源直流压降仿真居然挂了！事出反常必有妖，且跟高速先生一起一探究竟。

都说节前忙疯，节后放松，高速先生的这个开年却不太轻松，因为新春伊始就来了个急活：客户的一个加急改板有电源仿真需求。layout攻城狮雷工（没错，还是那个雷工《400A的电源，就问你怕不怕？》）也够给力，半天功夫就把电源改了出来，为了配合交期，先把过程版本的文件发来进行电源仿真。

电源电压0.85V，电流90A，直流压降要求±3%，同时，为了赶进度，客户这次改板没有改动层叠，仍然保留了之前的两层2oz电源平面。根据高速先生的经验，似乎手到擒来不费力，一切尽在掌握里，实际的情况却是事与愿违，IR-drop仿真得到的直流压降偏偏不过关！

幻觉，这一定是幻觉。于是，回过头仔细从层叠复查起：电源平面层数和铜厚没问题。
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再看铺铜处理，电源平面的户型方正、边角精修，还有额外赠送面积（除电源平面层，信号层也有补充铺铜），铜皮既没有出砂孔隔断，又没有瓶颈区域，也没毛病。

莫非电源模块（VRM）距离用电芯片(SINK)太远导致路径上的直流压降超标？可是，检查发现二者平均距离也就40mm左右，产生的压降不至于太大。

分析至此，问题仿佛陷入了死胡同。没奈何，只能生成完整的仿真报告逐项核对，看看能不能找到点蛛丝马迹，结果，还真就揪出了“元凶”！
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回流平面（GND）的压降居然有53.5mV！也就是说整体3%的压降要求，仅仅GND的压降就已经超标，达到了6.3%！

这不科学，6层0.5oz的GND平面怎么会有这么大的直流压降？一查单板GND层，一口老血差点没憋住，结果令人啼笑皆非：PCB文件中只铺了一层GND平面！这可真是“一顿操作猛如虎，回流平面忘了补”。雷工的解释云淡风轻：“赶时间嘛，电源平面处理好就能仿电源了吧，至于GND平面，还在处理反焊盘，为了不耽误仿真，就先象征性的铺了一层。”

听到如此淡定的理由，高速先生不淡定了：这种想法很危险，如果不扼杀在摇篮里，在可预见的未来，电源仿真会遇到更多的“灵异事件”。为了让雷工迷途知返，高速先生在保持电源设计相同的情况下，对比了不同的GND平面数量对电源直流压降的影响。恢复了6层GND平面，仿真结果如下，回流平面的直流压降仅为10.2mV，用电芯片端的直流压降也可以满足±3%的要求：

减少至4层GND平面，回流平面的直流压降增加到14.6mV：
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减少至2层GND平面，回流平面的直流压降继续增加，至28mV：
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不难发现，随着GND平面的减少，GND平面上的直流压降随之增大，从而导致电源回路的整体压降恶化，最差的情况就是压降超标，所以仅保留一层GND平面时，回路路径的压降达到53.5mV也就不足为奇了。原理很简单：电源回路的直流压降分为两个部分，除了电源路径上的压降，还要考虑回流路径上的压降，二者的处理同等重要。

在铁的事实面前，雷工终于放弃了顽固的抵抗，流下了悔恨的泪水认识到了问题的严重性，羞愧的低下了头。

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