與許多其他有源甚至無(wú)源組件相比，母線似乎簡(jiǎn)單而低迷，在某些方面，它們確實(shí)如此。然而，它們也是復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，需要了解由于導(dǎo)體電阻、材料科學(xué)、熱問(wèn)題、機(jī)械連接、絕緣、涂層化學(xué)以及電氣安全和完整性測(cè)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?shù)截?fù)載。這意味著使用橫截面尺寸的實(shí)心銅條（有時(shí)是鋁），將電阻損耗和相關(guān)的自發(fā)熱保持在規(guī)定的閾值以下。

現(xiàn)代系統(tǒng)呈現(xiàn)出一個(gè)具有諷刺意味的困境。一方面，晶體管、柵極、驅(qū)動(dòng)器和放大器等各個(gè)電路功能的功耗在過(guò)去幾十年中下降了幾個(gè)數(shù)量級(jí)，使設(shè)計(jì)人員能夠完成幾年前無(wú)法想象的任務(wù)。

與此同時(shí)，許多系統(tǒng)的電力需求急劇增加。例如，雖然幾年前每個(gè)機(jī)架的功耗為幾千瓦是很常見(jiàn)的，但現(xiàn)在許多機(jī)架的功耗為 10 千瓦、十二千瓦甚至 15 千瓦，而且更高的數(shù)字也正在出現(xiàn)，如圖 1 所示。

圖 1.每個(gè)機(jī)架的功耗以及由此產(chǎn)生的功率要求已急劇增加，預(yù)計(jì)將繼續(xù)這種快速增長(zhǎng)。雖然數(shù)字因數(shù)據(jù)源而異，但趨勢(shì)仍然清晰。（圖片：Semiconductor Engineering）)

為什么會(huì)這樣？功率需求的增長(zhǎng)速度遠(yuǎn)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(xiàn)象不僅限于機(jī)架，因?yàn)樵S多其他應(yīng)用中的單個(gè) PC 板通常需要數(shù)百安培的電流。當(dāng)然，這并不全是令人沮喪的消息：過(guò)去需要數(shù)百瓦的臺(tái)式電腦現(xiàn)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(shù)級(jí)增長(zhǎng)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(shuō)，需求已經(jīng)擴(kuò)大到滿足和超越以前的限制，沒(méi)有好事會(huì)不受懲罰。

在電源相關(guān)設(shè)計(jì)中，大部分注意力都集中在使用高級(jí)對(duì)流、強(qiáng)制通風(fēng)、主動(dòng)冷卻甚至各種形式的液體冷卻從機(jī)架或系統(tǒng)中提取所有這些電力（即熱量）的挑戰(zhàn)上。目標(biāo)是將熱量帶到那個(gè)叫做 “away” 的神奇地方，在那里它變成了別人的問(wèn)題。

然而，所有這些應(yīng)得的熱關(guān)注實(shí)際上是整體電源問(wèn)題的第二階段。在遇到耗散挑戰(zhàn)之前，您面臨的問(wèn)題是將所有功率（無(wú)論是來(lái)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(chǔ)知識(shí)

這就是母線排發(fā)揮關(guān)鍵作用的地方，如圖 2 所示。母線排的適用性遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了數(shù)據(jù)中心和服務(wù)器機(jī)架。它們用于太陽(yáng)能和風(fēng)能裝置、開(kāi)關(guān)設(shè)備、大型工廠電機(jī)、飛機(jī)、船舶，甚至混合動(dòng)力和電池電動(dòng)汽車(chē) （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(chǎn)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(diǎn)。

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(yán)肅的外觀。（圖片：Red Seal Electric Company）)

母線不一定是大型、高度可見(jiàn)、有時(shí)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(nèi)，以將電力輸送到各種子組件和子部分。我們稍后會(huì)看看這些小母線。

在談?wù)摴卉?chē)桿時(shí)，有“回到未來(lái)”的一面。它們從電力的早期就已經(jīng)存在，當(dāng)時(shí)根本不存在低功率應(yīng)用，“電子產(chǎn)品”尚未開(kāi)發(fā)，電力主要用于工業(yè)電機(jī)和供暖。

這種功率通常在較低的電壓下產(chǎn)生和傳輸，由于技術(shù)問(wèn)題導(dǎo)致更高的電流，從而導(dǎo)致功率傳輸中出現(xiàn)明顯的電阻感應(yīng)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(xiàn)實(shí)情況是，母線排更易于安裝，提供多點(diǎn)拾取，更堅(jiān)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(diǎn)可能是優(yōu)點(diǎn)或缺點(diǎn)，具體取決于情況）。電纜和母線排在設(shè)計(jì)師的解決方案菜單中都有自己的位置。

根據(jù) 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(gè)主要且密切相關(guān)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(gè)特定適用類(lèi)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(diǎn)參數(shù)。在特定應(yīng)用中，有許多類(lèi)似且更詳細(xì)的表格，與特定應(yīng)用中的母線應(yīng)用相關(guān)，來(lái)自行業(yè)協(xié)會(huì)和安全組織。如圖所示，溫度上升可能很大，許多設(shè)計(jì)人員都沒(méi)有意識(shí)到這一點(diǎn)，尤其是那些具有低功耗設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的設(shè)計(jì)人員。

圖 3.使用銅的 100 A 和 500 A 母線排標(biāo)稱載流量（安培容量）的這些尺寸數(shù)（以英寸為單位）顯示了允許溫升的影響。（圖片來(lái)源：銅業(yè)發(fā)展協(xié)會(huì))

母線的最小橫截面積不僅僅由設(shè)計(jì)人員的判斷、計(jì)算和建模模擬決定。每個(gè)使用母線的行業(yè)都有明確定義的標(biāo)準(zhǔn)，這些標(biāo)準(zhǔn)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(qǐng)記住，溫度升高有幾個(gè)負(fù)面后果。首先，它會(huì)影響附近的相關(guān)電子設(shè)備并導(dǎo)致壽命縮短。其次，母線顯然會(huì)因溫度升高而膨脹，這會(huì)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(yīng)力會(huì)刺激微裂縫，最終導(dǎo)致失效。

此外，如果母線根據(jù)電流變化而加熱和冷卻，則重復(fù)的熱循環(huán)會(huì)加速裂紋的發(fā)展和擴(kuò)展，最終導(dǎo)致過(guò)早失效。這不僅會(huì)影響金屬對(duì)金屬的連接點(diǎn)，還會(huì)影響絕緣涂層（如果有）。

第 2 部分將繼續(xù)討論其他關(guān)鍵母線問(wèn)題的觀點(diǎn)。