PCB設計PDN設計指南

2020-10-14

盡管我見(jiàn)過(guò)一些電路板在起火時(shí)冒煙，但PDN不良造成的大多數問(wèn)題通常并沒(méi)有那么嚴重。但是，它們同樣具有破壞性，因為設計不當的PDN可能會(huì )導致間歇性問(wèn)題，從而徹底破壞電路板。讓我們深入了解如何使用您的PDN設計指南來(lái)設計電路板的供電網(wǎng)絡(luò )。

電路板上的所有有源電子組件都需要電源才能運行，為此，PCB需要設計良好的電源傳輸網(wǎng)絡(luò )（PDN）。一次，PCB上的集成電路設備只有一個(gè)電源和接地引腳，并且可以通過(guò)一條簡(jiǎn)單的寬走線(xiàn)輕松連接。然后，隨著(zhù)電路密度的增加，將它們與多層板上的電源和接地層連接變得更加容易。但是隨著(zhù)引腳數的增加以及IC的功率要求變得越來(lái)越復雜，電路板開(kāi)始遇到以下一些問(wèn)題：

電磁干擾（EMI）：電路變得越快，它對來(lái)自?xún)炔亢屯獠吭吹?span>EMI越敏感。防止EMI問(wèn)題的一種方法是配置電源和接地層，以屏蔽傳入和傳出的干擾。

接地反彈：當許多數字信號同時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，它會(huì )產(chǎn)生一種稱(chēng)為同時(shí)開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）或接地反彈的效應。這可以在內存或數據總線(xiàn)中看到，并且如果快速切換導致信號不返回其參考地電平，則它們將在其上方反彈。這種影響會(huì )在電路中產(chǎn)生不希望有的噪聲，從而有可能產(chǎn)生錯誤的開(kāi)關(guān)并破壞設備的運行。精心設計的PDN可以幫助控制參考地平面。

電源紋波：開(kāi)關(guān)也可能由電源引起，這會(huì )在電路中產(chǎn)生噪聲或紋波。這些紋波可能會(huì )在其他電路中表現為串擾，這可能會(huì )對這些電路中的信號產(chǎn)生不利影響。

隨著(zhù)現代電路更快的開(kāi)關(guān)速度，IC上還有更多的電源和接地連接需要管理。如果采用球柵陣列（BGA）封裝的大型處理器芯片，則可以有數百個(gè)處于不同參考電平的電源和接地引腳。這些引腳還可以拉動(dòng)大量電流來(lái)為處理器供電，并且要確保電源干凈無(wú)任何尖峰，波紋或噪聲，需要精心設計的PDN。但是，除了提供清潔電源外，PDN還需要執行其他一些重要的電氣任務(wù)。

通孔可以在接地層上形成有效的屏障，以實(shí)現清晰的信號返回路徑。

權力和地面的許多作用

雖然PDN的成功設計似乎應該只專(zhuān)注于為其處理器芯片和其他大型IC提供清潔電源，但實(shí)際上，PDN還有很多工作要做。這些任務(wù)之一是為高速，敏感的信號在接地層上提供清晰的返回路徑，但是有一些潛在的問(wèn)題需要注意。 

如上圖所示，由于需要為高密度零件上的多個(gè)引腳提供電源和接地，這些平面可能會(huì )被過(guò)孔填滿(mǎn)。這些在飛機上造成障礙，使信號返回很難找到返回其源頭的清晰路徑。當這些返回信號四處游蕩以試圖找到回家的路時(shí)，它們會(huì )產(chǎn)生噪聲并破壞設計的信號完整性。因此，設計人員面臨的挑戰是為所有有源器件提供足夠的電源和接地，同時(shí)確保不阻塞返回路徑。

接地層的另一個(gè)任務(wù)是提供微帶或帶狀線(xiàn)層配置，以控制高速傳輸線(xiàn)的阻抗。通過(guò)在兩個(gè)接地平面之間或兩個(gè)接地平面之間路由走線(xiàn)的特定寬度（仔細控制它們之間的絕緣材料的厚度和介電常數（Dk）），走線(xiàn)將以特定的阻抗水平工作。這將有助于消除來(lái)自這些走線(xiàn)的任何信號反射，并且是控制電路板信號完整性的另一個(gè)重要部分。這里的挑戰是以同時(shí)滿(mǎn)足功率傳輸要求和微帶或帶狀線(xiàn)配置要求的方式配置平面。

成功的PDN設計要求均勻分布許多不同的電源和接地網(wǎng)到板上的不同設備。雖然為每個(gè)所需電壓設置一個(gè)單獨的平面層會(huì )很方便，但這些網(wǎng)絡(luò )的數量通常超過(guò)了板疊中的可用層數。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCB設計人員通常會(huì )拆分平面，以便他們可以在信號平面層上布線(xiàn)多個(gè)電源或接地網(wǎng)絡(luò )。然而，挑戰在于，盡管分離平面確實(shí)可以有效地分配不同的電源和接地網(wǎng)絡(luò )，但也會(huì )為信號返回路徑創(chuàng )造額外的障礙。因此，PCB設計人員需要設計其分離平面，以均勻地傳送所有電源和地，同時(shí)保留敏感的高速信號所需的清晰返回路徑。

盡管良好的PDN設計可能需要使用非對稱(chēng)的板層堆疊，但是某些制造商會(huì )對該配置存在問(wèn)題。PCB制造商通常希望將板層堆疊的頂層鏡像到底層，以創(chuàng )建對稱(chēng)的層堆疊。隨著(zhù)制造過(guò)程的溫度和高壓，不均勻的層堆疊的組合會(huì )導致板的翹曲。板越大，該效果越明顯。電路板翹曲會(huì )給長(cháng)而高速的傳輸線(xiàn)布線(xiàn)中使用的細金屬走線(xiàn)以及焊點(diǎn)造成壓力。

為避免這些問(wèn)題，電路板設計人員應考慮以下事項：

盡可能使電源層和接地層在板層堆疊中對稱(chēng)，如果不影響信號完整性的話(huà)。

確保在整個(gè)板層堆疊中，預浸料和芯層的厚度也對稱(chēng)。

嘗試將電路板最密集的銅層保持在堆疊的中心。同樣，這必須結合良好的信號完整性實(shí)踐來(lái)完成。

對不同的平面層使用相同的銅砝碼。

考慮在沒(méi)有太多金屬的電路板上添加金屬填充物（倒銅）。

最重要的是，在您提交之前，請與您的PCB制造商聯(lián)系以建議的板層堆疊，以確保他們能夠制造它。

除了我們已經(jīng)討論好的PDN準則之外，別忘了在印刷電路板上處理大面積金屬的一些基本規則。首先，為您的組件使用散熱墊，以輔助焊接。那些大面積的金屬將充當巨大的散熱器，并與它們一起吸收熱量和焊料。其次，對于焊接到外部平面的表面安裝零件，不要忘記也要管理它們的連接。同樣，金屬的實(shí)心區域將充當散熱器并引起熱不平衡。這種不平衡可能導致小的兩針無(wú)源器件在回流焊期間像墓碑一樣直立起來(lái)。

為了在電路板上設計出良好的PDN，有很多知識要知道，幸運的是，在設計工具中可以找到很多幫助。