PCB布局中電源完整性的基礎(chǔ)知識

多年來，PCB layout 工程師都是這樣處理電源和接地的——只要電路板有 VCC 和地平面，只需在其中打通孔即可獲得持續(xù)供電。 然而，對于今天的高速設(shè)計(jì)來說，事實(shí)卻大不相同。

電路板中的電源可能不是平靜如畫的湖泊，而是像暴風(fēng)雨一樣的噩夢，充滿了漣漪和波浪，威脅著淹沒小船。 高速電路所需的元件需要大量的功率，這會產(chǎn)生尖峰信號，威脅電路板上其他元件的平穩(wěn)運(yùn)行。 為了實(shí)現(xiàn)電路板的最佳性能，必須管理水的完整性，以便電路板能夠?yàn)槠渌行枨筇峁┢胶馇疫B續(xù)的電源。 以下是一些電源完整性基礎(chǔ)知識，可以幫助您平息設(shè)計(jì)中的電源網(wǎng)絡(luò)風(fēng)暴。

由于電源完整性缺陷導(dǎo)致的電路板問題

曾幾何時(shí)，電路板組件非常簡單。 許多組件只有一個(gè)電源和一個(gè)接地引腳。 這些器件非常易于使用，尤其是通孔版本，因?yàn)樗鼈兛梢暂p松連接到電路板的 VCC 和接地層。 甚至它們的旁路電容器也很容易放置和接線，因?yàn)樗鼈兾挥诓考捻敳浚⑶铱梢暂p松連接到 IC 的引腳 14。 此外，這些組件對供電網(wǎng)絡(luò)中的微小波動不太敏感，并且它們的信號速度不夠快，不會引起問題。 然而，隨著當(dāng)今高速設(shè)計(jì)中使用的組件，所有這一切都發(fā)生了巨大的變化。

必須仔細(xì)管理電路板的電源網(wǎng)絡(luò) (PDN)，以通過 PCB 為其所有組件提供清潔電源。 設(shè)計(jì)不具備良好電源完整性的電路板可能存在許多問題，例如電路板高速電路中的串?dāng)_電源紋波。 我們將進(jìn)一步研究不良的電源完整性可能給電路板帶來的不同類型的問題。 但首先，讓我們看看這些問題的結(jié)果：

• PDN 中的過多噪聲會影響組件所需的電壓電平。 如果它們低于可接受的水平，相關(guān)電路可能會出現(xiàn)故障。
  

• 即使電壓在設(shè)備要求的容差范圍內(nèi)，PDN上的噪聲也可能表現(xiàn)為信號上的串?dāng)_，從而導(dǎo)致對這些信號的誤解。

• PDN噪聲可能通過電源網(wǎng)絡(luò)的平面和連接輻射EMI。

以上情況都會給設(shè)計(jì)者在測試和調(diào)試時(shí)帶來很大的麻煩。顯然，PCB 設(shè)計(jì)中良好的電源完整性對于設(shè)計(jì)的成功至關(guān)重要。 因此，我們來探討一下電源完整性的一些基本知識。組件的布局有利于縮短和直接布線，從而有助于電源完整性。

值得注意的電源完整性基礎(chǔ)

電路板中良好的電源完整性意味著其電源傳輸網(wǎng)絡(luò)旨在提供穩(wěn)定的電壓參考，并在可接受的噪聲和容差范圍內(nèi)將電源分配給所有電路板組件。 PDN 必須能夠在整個(gè)系統(tǒng)中均勻分配電力 - 從電源到相關(guān)布線和過孔，通過平面和電容器，最后到各個(gè)設(shè)備。 板上的每個(gè)器件都需要嚴(yán)格控制并提供一致的電壓，以確保一致穩(wěn)定的運(yùn)行。 其中一些設(shè)備（例如大引腳數(shù)處理器）需要多種不同的電壓和比其他組件更高的電流才能運(yùn)行。 這些組件的要求必須由PDN管理，否則會對電路板上的其他組件產(chǎn)生不利影響。 PCB組裝及PCB加工廠家講解PCB布局中電源完整性的基礎(chǔ)知識分析。

地面彈跳

隨著高速設(shè)計(jì)中開關(guān)速度的提高，信號的低電平狀態(tài)可能并不總是返回到參考地電平。 這種接地反彈也稱為同步開關(guān)噪聲或 SSN。 隨著信號的低電平向上漂移，最終可能會被誤認(rèn)為是高電平，從而導(dǎo)致數(shù)據(jù)傳輸不正確。

電源紋波

SMPS（開關(guān)模式電源）的切換將導(dǎo)致電源紋波遍布整個(gè)設(shè)計(jì)。 這些紋波可能會引起串?dāng)_、壓垮并干擾附近電路的運(yùn)行。

電磁干擾

如果設(shè)計(jì)不正確，在開關(guān)狀態(tài)之間切換 SMPS 將產(chǎn)生 EMI。 EMI不僅會影響板載電路的順利工作，還會對外部電子設(shè)備產(chǎn)生干擾。 EMI還與電路板的電源和地平面的配置密切相關(guān)。 這些平面不僅為 PDN 提供電源和接地，還可以起到有效的 EMI 屏蔽作用。 平面配置中還必須考慮屏蔽。

信號返回路徑

盡管清晰的信號返回路徑是創(chuàng)建良好信號完整性的一部分，但參考平面是電路板 PDN 系統(tǒng)的一部分，在設(shè)計(jì)電源完整性時(shí)必須予以考慮。 高密度組件將具有許多用于信號、電源和接地連接的過孔，但這些過孔將阻塞參考平面上的清晰返回路徑。 此外，一些電源要求可能會導(dǎo)致設(shè)計(jì)者將平面分開。 然而，這些分離可能會影響高速信號的清晰返回路徑，從而產(chǎn)生更多的 EMI，因此必須仔細(xì)設(shè)計(jì)。

現(xiàn)在我們已經(jīng)了解了一些基本的電源完整性問題，接下來讓我們看看 PCB 布局最佳實(shí)踐和有助于防止這些問題的電源完整性基礎(chǔ)知識。

PCB分布

在 PCB 布局設(shè)計(jì)中，以下是一些需要密切關(guān)注的領(lǐng)域，以避免我們一直在討論的一些電源完整性問題。

分層堆疊配置

電路板的PDN與電路板堆疊中的層配置密切相關(guān)。 必須策略性地放置接地層，以便為敏感信號路由提供微帶線和帶狀線層配置。 這些層將提供所需的清晰信號返回路徑并提供 EMI 屏蔽。 布置平面圖以確保所有電力都輸送到每個(gè)組件也很重要。 這可能需要針對不同的電壓分割電源層。 通過首先制定設(shè)計(jì)計(jì)劃，您將更好地了解不同的功能分區(qū)并相應(yīng)地配置您的PDN。

元件放置

必須在 PDN 中仔細(xì)管理參考電壓，以確保組件接收所需的功率。 這將防止地面炸彈誤觸發(fā)敏感信號。 這意味著添加多個(gè)旁路電容器來穩(wěn)定 PDN，以滿足處理器和其他功耗組件的需求。 您需要將這些電容器盡可能靠近它們所連接的電源引腳放置。 對于電源來說，將組件放置在電路板的同一側(cè)也很重要，因?yàn)槎潭苯拥牟季€是必要的。