原理簡單但實踐復雜的總線技術：第 1 部分

與許多其他有源甚至無源組件相比，母線似乎簡單而低迷，在某些方面，它們確實如此。然而，它們也是復雜的結構，需要了解由于導體電阻、材料科學、熱問題、機械連接、絕緣、涂層化學以及電氣安全和完整性測試引起的電壓降。

母線的功能直接而明確：以可接受的低電壓降和功率損耗將功率（如大電流和/或高電壓）從電源傳輸到負載。這意味著使用橫截面尺寸的實心銅條（有時是鋁），將電阻損耗和相關的自發熱保持在規定的閾值以下。

現代系統呈現出一個具有諷刺意味的困境。一方面，晶體管、柵極、驅動器和放大器等各個電路功能的功耗在過去幾十年中下降了幾個數量級，使設計人員能夠完成幾年前無法想象的任務。

與此同時，許多系統的電力需求急劇增加。例如，雖然幾年前每個機架的功耗為幾千瓦是很常見的，但現在許多機架的功耗為 10 千瓦、十二千瓦甚至 15 千瓦，而且更高的數字也正在出現，如圖 1 所示。

圖 1.每個機架的功耗以及由此產生的功率要求已急劇增加，預計將繼續這種快速增長。雖然數字因數據源而異，但趨勢仍然清晰。（圖片：Semiconductor Engineering）)

為什么會這樣？功率需求的增長速度遠高于每元件功率的降低速度，而功能密度需求也急劇增加。這種現象不僅限于機架，因為許多其他應用中的單個 PC 板通常需要數百安培的電流。當然，這并不全是令人沮喪的消息：過去需要數百瓦的臺式電腦現在提供的性能要高得多，但功率只有其前身的二分之一到三分之一。

電力需求呈指數級增長的原因通常是：我們可以做更多的事情，我們希望做的不僅僅是更多，我們想做的更多。通俗地說，需求已經擴大到滿足和超越以前的限制，沒有好事會不受懲罰。

在電源相關設計中，大部分注意力都集中在使用高級對流、強制通風、主動冷卻甚至各種形式的液體冷卻從機架或系統中提取所有這些電力（即熱量）的挑戰上。目標是將熱量帶到那個叫做 “away” 的神奇地方，在那里它變成了別人的問題。

然而，所有這些應得的熱關注實際上是整體電源問題的第二階段。在遇到耗散挑戰之前，您面臨的問題是將所有功率（無論是來自交流線路、高壓直流還是低壓直流）分配到需要的地方。

母線基礎知識

這就是母線排發揮關鍵作用的地方，如圖 2 所示。母線排的適用性遠遠超出了數據中心和服務器機架。它們用于太陽能和風能裝置、開關設備、大型工廠電機、飛機、船舶，甚至混合動力和電池電動汽車 （BEV） — 基本上是任何需要以最小損耗和低成本可靠傳輸更高電流水平（通常也是高壓）的地方。即使是中等尺寸的產品也能從其以低損耗提供電流的能力中受益，并且能夠安全高效地做到這一點。

圖 2.母線裝置的布置方式多種多樣，從小到大，但它們都具有引人注目、嚴肅的外觀。（圖片：Red Seal Electric Company）)

母線不一定是大型、高度可見、有時令人生畏的組件。物理上較小的母線通常用于 PC 板之間，甚至在板內，以將電力輸送到各種子組件和子部分。我們稍后會看看這些小母線。

在談論公交車桿時，有“回到未來”的一面。它們從電力的早期就已經存在，當時根本不存在低功率應用，“電子產品”尚未開發，電力主要用于工業電機和供暖。

這種功率通常在較低的電壓下產生和傳輸，由于技術問題導致更高的電流，從而導致功率傳輸中出現明顯的電阻感應電壓降和耗散。今天，仍然需要輸送大量的電力，而物理定律和歐姆定律仍然存在，母線排解決方案仍然有效且可行。

為什么使用母線而不是電纜和連接器？盡管母線排和電纜在給定電流下的銅（或鋁）橫截面積名義上相同，但現實情況是，母線排更易于安裝，提供多點拾取，更堅固，具有更好的熱特性，并且不需要大電流插入式連接器（后一點可能是優點或缺點，具體取決于情況）。電纜和母線排在設計師的解決方案菜單中都有自己的位置。

根據 IR 壓降和溫升確定母線的尺寸

母線排需要多大的橫截面積？通常情況下，答案是“視情況而定”。兩個主要且密切相關的因素是在最大電流水平下可以容忍的 IR 壓降量，以及由于 I 引起的可接受的溫升2R 耗散。

圖 3 顯示了一個特定適用類別中銅母線的一些建議，其中“載流量”（以安培為單位的承載能力）作為起點參數。在特定應用中，有許多類似且更詳細的表格，與特定應用中的母線應用相關，來自行業協會和安全組織。如圖所示，溫度上升可能很大，許多設計人員都沒有意識到這一點，尤其是那些具有低功耗設計經驗的設計人員。

圖 3.使用銅的 100 A 和 500 A 母線排標稱載流量（安培容量）的這些尺寸數（以英寸為單位）顯示了允許溫升的影響。（圖片來源：銅業發展協會)

母線的最小橫截面積不僅僅由設計人員的判斷、計算和建模模擬決定。每個使用母線的行業都有明確定義的標準，這些標準定義了母線必須有多大才能在不同情況下將溫升和電壓降限制在指定值。

請記住，溫度升高有幾個負面后果。首先，它會影響附近的相關電子設備并導致壽命縮短。其次，母線顯然會因溫度升高而膨脹，這會影響它們的安裝支架、與其他母線的連接或“接頭”（稱為接頭）以及與電纜連接的電氣完整性。熱膨脹引起的應力會刺激微裂縫，最終導致失效。

此外，如果母線根據電流變化而加熱和冷卻，則重復的熱循環會加速裂紋的發展和擴展，最終導致過早失效。這不僅會影響金屬對金屬的連接點，還會影響絕緣涂層（如果有）。

第 2 部分將繼續討論其他關鍵母線問題的觀點。