硬件電路設計需要電源完整性

2020-03-22

在硬件電路設計中，電源完整性非常重要。因現代PCB上的電路需要電壓和電流保持在其供電網(wǎng)絡(luò )（PDN）內的所需水平，且變化很小。波動(dòng)太大的功率會(huì )破壞信號的預期性能，并產(chǎn)生錯誤的響應。

當您嘗試查找和糾正這些問(wèn)題時(shí)，此類(lèi)問(wèn)題可能會(huì )在調試階段引起您大量的精力。為了避免這些麻煩，重要的是要創(chuàng )建一個(gè)具有良好PDN的硬件電路設計。但是，在進(jìn)入該池的最深層之前，您應該首先了解什么是電源完整性。我們將在這里簡(jiǎn)要介紹硬件電路設計中的電源完整性的基礎知識，以幫助您入門(mén)。

電源完整性：為組件供電

電路板上的不同設備都需要向其供電。多年以前，電路板上的通用集成電路（IC）設備只有一個(gè)電源和一個(gè)接地引腳。那時(shí)為印刷電路板提供電源網(wǎng)絡(luò )很容易。您只需在板層堆疊中創(chuàng )建一架用于供電的飛機和一架用于接地的飛機。然后，您可以將IC的電源和接地引腳連接到適當的平面，插入一些旁路電容，然后保存！大功告成 然而，如今，PCB中使用的復雜IC的電源需求變得更加復雜。

現在的電路板仍將具有電源和接地平面，但是管理電源傳輸網(wǎng)絡(luò )比將IC的電源和接地引腳簡(jiǎn)單連接到它們要復雜得多。每個(gè)IC將需要提供嚴格控制以符合其電源要求的電源。電路板上良好的電源傳輸網(wǎng)絡(luò )的目標是提供穩定的參考電壓，并以可接受的噪聲和容忍水平將功率分配給所有設備。仔細管理電路板上所有設備的電源，以保持一致的電壓水平，這就是所謂的電源完整性。

仔細設計硬件電路的電源和接地層對于良好的電源完整性至關(guān)重要

實(shí)現良好的電源完整性的挑戰

當板上的設備本質(zhì)上更簡(jiǎn)單，只有一個(gè)電源和一個(gè)接地連接時(shí)，噪聲容忍度就不那么嚴格了。使用額外的電容器可以輕松控制過(guò)多的噪聲。這些設備中的開(kāi)關(guān)速度也不會(huì )產(chǎn)生與當今高速設備相同的問(wèn)題。

如今，隨著(zhù)處理器芯片采用大型球柵陣列（BGA）封裝，對功率的要求更加嚴格。這些設備中有數百個(gè)電源和接地引腳，每個(gè)設備可能需要多個(gè)電源電壓，其中一些電壓會(huì )降低到一伏以下。這些引腳還為處理器完成工作時(shí)拉動(dòng)了許多安培電流，而要提供“干凈”的電源，則需要龐大的電容器網(wǎng)絡(luò )。

為了理解所有這些工作原理以及如何更好地滿(mǎn)足這些復雜設備的電源需求，對電源完整性的研究變得非常重要。在電路板上創(chuàng )建良好的電源完整性意味著(zhù)了解電源將如何通過(guò)硬件電路設計的PDN傳播。這包括從電源到布線(xiàn)和過(guò)孔，電源和接地層對，電容器以及設備本身的所有內容。

板層堆疊中的電源平面配置對于電源完整性也很重要

其他電源和地面問(wèn)題

電源完整性還與電源傳輸網(wǎng)絡(luò )的其他一些問(wèn)題聯(lián)系在一起。其中一些包括：

接地反彈：也稱(chēng)為同時(shí)切換噪聲或SSN，當許多信號同時(shí)切換時(shí)會(huì )發(fā)生接地反彈。當處理器寫(xiě)入內存，并且數據信號全部同時(shí)切換時(shí)，可能會(huì )發(fā)生這種情況。如果信號由于切換的速度而沒(méi)有完全回到參考地電平，則它們會(huì )在信號上方“反彈”。這種地面反彈噪聲會(huì )產(chǎn)生錯誤的開(kāi)關(guān)，并有可能破壞或關(guān)閉設備。

電源紋波：電源的開(kāi)關(guān)特性會(huì )引起電源紋波。這些紋波可能會(huì )在相鄰電路中產(chǎn)生串擾，從而損害信號的準確性。再次，這可能導致電路中斷。

電磁干擾（EMI）：如果未正確配置，如何在硬件電路設計堆疊中布置電源平面會(huì )導致EMI問(wèn)題。電源和接地層可以通過(guò)屏蔽信號層來(lái)幫助防止EMI影響信號層的性能，但前提是信號層位于這些層之間。

返回路徑：必須設計電路板的平面，以保留好的信號返回路徑。不幸的是，電源要求通常會(huì )留下大量的孔用于連接通孔和縫合通孔，并且多個(gè)電源可能會(huì )決定需要分離平面。所有這些都可能阻礙信號的良好返回路徑，從而導致信號完整性較差。

所有這些問(wèn)題都必須與硬件電路設計分析一起考慮，以確保良好的電源完整性。上面概述的許多問(wèn)題都可以通過(guò)戰略性地放置電容器和電阻器以及精心布置的電源平面來(lái)解決。

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