原理简单但实践复杂的总线技术：第 1 部分

与许多其他有源甚至无源组件相比，母线似乎简单而低迷，在某些方面，它们确实如此。然而，它们也是复杂的结构，需要了解由于导体电阻、材料科学、热问题、机械连接、绝缘、涂层化学以及电气安全和完整性测试引起的电压降。

母线的功能直接而明确：以可接受的低电压降和功率损耗将功率（如大电流和/或高电压）从电源传输到负载。这意味着使用横截面尺寸的实心铜条（有时是铝），将电阻损耗和相关的自发热保持在规定的阈值以下。

现代系统呈现出一个具有讽刺意味的困境。一方面，晶体管、栅极、驱动器和放大器等各个电路功能的功耗在过去几十年中下降了几个数量级，使设计人员能够完成几年前无法想象的任务。

与此同时，许多系统的电力需求急剧增加。例如，虽然几年前每个机架的功耗为几千瓦是很常见的，但现在许多机架的功耗为 10 千瓦、十二千瓦甚至 15 千瓦，而且更高的数字也正在出现，如图 1 所示。

图 1.每个机架的功耗以及由此产生的功率要求已急剧增加，预计将继续这种快速增长。虽然数字因数据源而异，但趋势仍然清晰。（图片：Semiconductor Engineering）)

为什么会这样？功率需求的增长速度远高于每元件功率的降低速度，而功能密度需求也急剧增加。这种现象不仅限于机架，因为许多其他应用中的单个 PC 板通常需要数百安培的电流。当然，这并不全是令人沮丧的消息：过去需要数百瓦的台式电脑现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。

电力需求呈指数级增长的原因通常是：我们可以做更多的事情，我们希望做的不仅仅是更多，我们想做的更多。通俗地说，需求已经扩大到满足和超越以前的限制，没有好事会不受惩罚。

在电源相关设计中，大部分注意力都集中在使用高级对流、强制通风、主动冷却甚至各种形式的液体冷却从机架或系统中提取所有这些电力（即热量）的挑战上。目标是将热量带到那个叫做 “away” 的神奇地方，在那里它变成了别人的问题。

然而，所有这些应得的热关注实际上是整体电源问题的第二阶段。在遇到耗散挑战之前，您面临的问题是将所有功率（无论是来自交流线路、高压直流还是低压直流）分配到需要的地方。

母线基础知识

这就是母线排发挥关键作用的地方，如图 2 所示。母线排的适用性远远超出了数据中心和服务器机架。它们用于太阳能和风能装置、开关设备、大型工厂电机、飞机、船舶，甚至混合动力和电池电动汽车 （BEV） — 基本上是任何需要以最小损耗和低成本可靠传输更高电流水平（通常也是高压）的地方。即使是中等尺寸的产品也能从其以低损耗提供电流的能力中受益，并且能够安全高效地做到这一点。

图 2.母线装置的布置方式多种多样，从小到大，但它们都具有引人注目、严肃的外观。（图片：Red Seal Electric Company）)

母线不一定是大型、高度可见、有时令人生畏的组件。物理上较小的母线通常用于 PC 板之间，甚至在板内，以将电力输送到各种子组件和子部分。我们稍后会看看这些小母线。

在谈论公交车杆时，有“回到未来”的一面。它们从电力的早期就已经存在，当时根本不存在低功率应用，“电子产品”尚未开发，电力主要用于工业电机和供暖。

这种功率通常在较低的电压下产生和传输，由于技术问题导致更高的电流，从而导致功率传输中出现明显的电阻感应电压降和耗散。今天，仍然需要输送大量的电力，而物理定律和欧姆定律仍然存在，母线排解决方案仍然有效且可行。

为什么使用母线而不是电缆和连接器？尽管母线排和电缆在给定电流下的铜（或铝）横截面积名义上相同，但现实情况是，母线排更易于安装，提供多点拾取，更坚固，具有更好的热特性，并且不需要大电流插入式连接器（后一点可能是优点或缺点，具体取决于情况）。电缆和母线排在设计师的解决方案菜单中都有自己的位置。

根据 IR 压降和温升确定母线的尺寸

母线排需要多大的横截面积？通常情况下，答案是“视情况而定”。两个主要且密切相关的因素是在最大电流水平下可以容忍的 IR 压降量，以及由于 I 引起的可接受的温升2R 耗散。

图 3 显示了一个特定适用类别中铜母线的一些建议，其中“载流量”（以安培为单位的承载能力）作为起点参数。在特定应用中，有许多类似且更详细的表格，与特定应用中的母线应用相关，来自行业协会和安全组织。如图所示，温度上升可能很大，许多设计人员都没有意识到这一点，尤其是那些具有低功耗设计经验的设计人员。

图 3.使用铜的 100 A 和 500 A 母线排标称载流量（安培容量）的这些尺寸数（以英寸为单位）显示了允许温升的影响。（图片来源：铜业发展协会)

母线的最小横截面积不仅仅由设计人员的判断、计算和建模模拟决定。每个使用母线的行业都有明确定义的标准，这些标准定义了母线必须有多大才能在不同情况下将温升和电压降限制在指定值。

请记住，温度升高有几个负面后果。首先，它会影响附近的相关电子设备并导致寿命缩短。其次，母线显然会因温度升高而膨胀，这会影响它们的安装支架、与其他母线的连接或“接头”（称为接头）以及与电缆连接的电气完整性。热膨胀引起的应力会刺激微裂缝，最终导致失效。

此外，如果母线根据电流变化而加热和冷却，则重复的热循环会加速裂纹的发展和扩展，最终导致过早失效。这不仅会影响金属对金属的连接点，还会影响绝缘涂层（如果有）。

第 2 部分将继续讨论其他关键母线问题的观点。