高速PCB中電源完整性的設(shè)計(jì) - 全文

　　一、引言

　　隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡(jiǎn)稱PI（Powerintegrity）。當(dāng)今國(guó)際市場(chǎng)上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問(wèn)題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問(wèn)題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

　　二、電源噪聲的起因及分析

　　對(duì)于電源噪聲的起因我們通過(guò)一個(gè)與非門(mén)電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門(mén)的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門(mén)屬于數(shù)字器件，它是通過(guò)“1”和“0”電平的切換來(lái)工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來(lái)越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動(dòng)。如在圖1中，當(dāng)與非門(mén)輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動(dòng)，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門(mén)輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對(duì)于上升沿來(lái)說(shuō)要小。從對(duì)與非門(mén)的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過(guò)大;　　

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　　二是電流回路上存在的電感。所謂地電源完整性問(wèn)題是指在高速PCB中，當(dāng)大量的芯片同時(shí)開(kāi)啟或關(guān)閉時(shí)，在電路中就會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，同時(shí)由于電源線和地線上電感電阻的存在，就會(huì)在兩者之上產(chǎn)生電壓波動(dòng)。了解到電源完整性問(wèn)題的本質(zhì)，我們知道，要解決電源完整性問(wèn)題，首先對(duì)于高速器件來(lái)說(shuō)，我們通過(guò)加去耦電容來(lái)去掉它的高頻噪聲分量，這樣就減少信號(hào)的瞬變時(shí)間;對(duì)于回路中所存在的電感來(lái)說(shuō)，我們則要從電源的分層設(shè)計(jì)來(lái)考慮。

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　　三、去耦電容的應(yīng)用

　　在高速PCB設(shè)計(jì)中，去耦電容起著重要的作用，它的放置位置也很重要。這是因?yàn)樵陔娫聪蜇?fù)載短時(shí)間供電中，電容中的存儲(chǔ)電荷可防止電壓下降，如電容放置位置不恰當(dāng)可使線阻抗過(guò)大，影響供電。同時(shí)電容在器件的高速切換時(shí)可濾除高頻噪聲。我們?cè)诟咚貾CB設(shè)計(jì)中，一般在電源的輸出端和芯片的電源輸入端各加一個(gè)去耦電容，其中靠近電源端的電容值一般較大（如10μF），這是因?yàn)镻CB中我們一般用的是直流電源，為了濾除電源噪聲電容的諧振頻率可以相對(duì)較低;同時(shí)大電容可以確保電源輸出的穩(wěn)定性。對(duì)于芯片接電源的引腳處所加的去耦電容來(lái)說(shuō)，其電容值一般較小（如0.1μF），這是因?yàn)樵诟咚傩酒?，噪聲頻率一般都比較高，這就要求所加去耦電容的諧振頻率要高，即去耦電容的容值要小。

　　對(duì)于去耦電容的放置，我們知道，如果位置不當(dāng)?shù)脑挄?huì)增大線路阻抗，降低其諧振頻率同時(shí)影響供電。對(duì)于去耦電容和芯片或電源中的電感，我們可以通過(guò)公式：求出

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在公式中，l：電容與芯片間的線長(zhǎng);r：線半徑;d：電源線與地之間的距離;

　　由此我們知道，要減少電感L，則必須減少l和d，即減少去耦電容和芯片所形成的環(huán)路面積，也就是要求電容與芯片盡可能靠近芯片器件。

　　四、電源回路的設(shè)計(jì)

　　要保證電源完整性，我們知道，良好的電源分配網(wǎng)絡(luò)是必不可少的。首先對(duì)電源線和地線的設(shè)計(jì)，我們要保證線寬加粗（如寬為40mil，而普通信號(hào)線為10mil），這樣才能盡可能地減少其阻抗值。隨著芯片的速度越來(lái)越高，根據(jù)5/5規(guī)則，我們?cè)絹?lái)越多地使用多層板，通過(guò)專用的電源層進(jìn)行供電和專用的地層構(gòu)成回路，這樣就減少了線路的電感。

　　圖4中所示的是一個(gè)四層板的信號(hào)回路圖，高頻信號(hào)將從地層返回，在地層理想的情況下（沒(méi)有分隔和過(guò)多的過(guò)孔），高頻信號(hào)線將在地層上形成射頻的鏡像回路，返回電流將主要從高頻信號(hào)在地層上的鏡像路徑返回，而在PCB中，信號(hào)線與地層之間的距離非常小（大約是0.3mm），這樣就形成了小環(huán)路，不僅可以減少電源完整性的問(wèn)題，也能夠減少環(huán)路的射頻輻射，避免引起其它的電磁兼容性問(wèn)題。但在當(dāng)今高集成度的PCB設(shè)計(jì)中，由于芯片集成度過(guò)高，過(guò)孔過(guò)密，多電源供電及數(shù)字器件及模擬器件共存所引起的電源層和地層的分隔等因素，要保證電源回路的暢通無(wú)阻則是很難的。

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　　如在圖4中所示，在數(shù)字器件和模擬器件共存的高速PCB中，為了防止數(shù)字器件所帶來(lái)的高頻噪聲對(duì)模擬器件造成影響，我們把數(shù)字地和模擬地進(jìn)行了分隔，分立的數(shù)字地和模擬地用0歐電阻通過(guò)一點(diǎn)接地最后與電源地相連形成回路。這樣就把數(shù)模兩部分噪聲進(jìn)行了隔離，但同時(shí)也引進(jìn)了問(wèn)題，由于地層的分隔破壞了地層的連續(xù)性，阻礙了信號(hào)的小環(huán)路回路，這就使信號(hào)回路阻抗增大，增加了出現(xiàn)電源完整性問(wèn)題的可能，同時(shí)大回路的返回路徑也增大了回路的射頻輻射和板間的電磁兼容性。為了避免以上的問(wèn)題，在數(shù)字器件和模擬器件混合布局中我們提倡采用統(tǒng)一地，就是將數(shù)字器件和模擬器件分區(qū)布局，而地則不進(jìn)行分隔。合理地對(duì)數(shù)模器件進(jìn)行布局，通過(guò)基爾霍夫定律我們知，高頻下電路地返回路徑將沿著最小阻抗，即最小的環(huán)路面積返回，數(shù)字器件和模擬器件的返回路徑也將分別在數(shù)字器件和模擬器件所對(duì)應(yīng)的鏡像路徑返回，它們之間不會(huì)引起干擾。

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　　對(duì)于高集成度的PCB設(shè)計(jì)中，由于信號(hào)線的走線可能比較復(fù)雜，形成的回路面積可能比較大。如圖5，在四層板中，某信號(hào)源的信線在頂層經(jīng)過(guò)地層和電源層后從地層傳輸，最后返回。在這個(gè)傳輸路徑中，高頻信號(hào)線所形成的信號(hào)回路非常大。為了解決這個(gè)問(wèn)題，我們?cè)诳拷盘?hào)線的附近，在電源層和地層之間加了一個(gè)電容。這樣，對(duì)于高頻信號(hào)來(lái)說(shuō)，頂層的信號(hào)線在地層上將會(huì)產(chǎn)生一個(gè)鏡像回路，而地層的信號(hào)線將在電源層上產(chǎn)生一條鏡像回路，這兩條鏡像回路將與電源層和地層之間的電容構(gòu)成回路，這樣我們就盡可能地利用電源層和地層作為回路，減少了返回環(huán)路面積，從而減少了產(chǎn)生電源完整性及板間電磁兼容問(wèn)題地可能性。

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　　五、結(jié)束語(yǔ)

　　現(xiàn)今高速數(shù)字電路的設(shè)計(jì)趨向于復(fù)雜，多電源的應(yīng)用、電源電平的降低、芯片的高反應(yīng)速度和高敏感度以及PCB的高集成度所帶來(lái)的設(shè)計(jì)影響，板內(nèi)的電源完整性問(wèn)題也越來(lái)越嚴(yán)重且受到廣泛的重視。因此本文通過(guò)對(duì)電源完整性問(wèn)題的分析提出了其產(chǎn)生因素，并就電源完整性提出了一些設(shè)計(jì)方法，這對(duì)于優(yōu)化PCB的EMC設(shè)計(jì)具有一定的價(jià)值。

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