PCB 布局中的電源完整性基礎知識

2021-07-31

PCB 布局中的電源完整性基礎知識

多年來(lái)，PCB 布局工程師以這種想法處理電源和接地——只要電路板具有 VCC 和接地層，只需將過(guò)孔放入其中即可獲得源源不斷的電源。然而，對于當今的高速設計，事實(shí)卻大不相同。

電路板中的電源供應可能不是一個(gè)平靜而風(fēng)景如畫(huà)的湖泊，而是一場(chǎng)暴風(fēng)雨般的噩夢(mèng)，充滿(mǎn)了威脅要淹沒(méi)小船的漣漪和波浪。高速電路所需的組件需要大量功率，會(huì )產(chǎn)生尖峰信號，威脅電路板上其他部件的平穩運行。為了電路板的最佳性能，必須管理這些水的完整性，以便電路板能夠為其所有需求提供均衡和持續的電力供應。以下是一些電源完整性基礎知識，可幫助您平息設計中的供電網(wǎng)絡(luò )風(fēng)暴。

由于電源完整性缺陷導致的電路板問(wèn)題

曾幾何時(shí)，電路板組件非常簡(jiǎn)單，許多組件上只有一個(gè)電源和一個(gè)接地引腳。這些設備非常易于使用，尤其是通孔版本，因為它們可以輕松連接到電路板的 VCC 和接地層。甚至他們的旁路電容器也很容易放置和布線(xiàn)，因為它們正好位于零件的頂部，可以輕松地布線(xiàn)到 IC 的引腳 14。此外，這些部件對供電網(wǎng)絡(luò )中的微小波動(dòng)不那么敏感，它們的信號速度也不夠快，不會(huì )產(chǎn)生問(wèn)題。但是，隨著(zhù)當今高速設計中使用的組件，這一切都發(fā)生了巨大的變化。

必須仔細管理電路板的供電網(wǎng)絡(luò ) (PDN)，以通過(guò) PCB 為其所有組件提供清潔電源。未針對良好電源完整性設計的電路板可能會(huì )出現許多問(wèn)題，例如在電路板的高速電路中產(chǎn)生串擾的電源紋波。我們將進(jìn)一步研究電源完整性不良可能為電路板帶來(lái)的不同類(lèi)型的問(wèn)題，但首先，讓我們看看這些問(wèn)題的結果：

PDN 中的過(guò)多噪聲會(huì )影響組件所需的電壓水平，如果它們低于可接受的水平，相關(guān)電路可能會(huì )出現故障。

即使電壓在器件要求的容差范圍內，PDN 上的噪聲也可能表現為信號上的串擾，導致這些信號被誤解。

PDN 噪聲有可能通過(guò)供電網(wǎng)絡(luò )的平面和連接輻射 EMI。

以上所有情況都會(huì )在測試和調試期間給設計人員帶來(lái)巨大的麻煩。

顯然，PCB 設計中良好的電源完整性對于設計的成功至關(guān)重要，因此，讓我們探索一些電源完整性基礎知識。

這些組件的布局有助于實(shí)現短而直接的布線(xiàn)，從而有助于實(shí)現電源完整性

值得注意的電源完整性基礎

電路板中良好的電源完整性意味著(zhù)其電源傳輸網(wǎng)絡(luò )旨在提供穩定的電壓參考，并在可接受的噪聲和容限范圍內將電源分配給所有電路板組件。PDN 必須能夠在整個(gè)系統中均勻分配功率——從電源到相關(guān)的布線(xiàn)和過(guò)孔，通過(guò)平面和電容器，最后到單個(gè)設備。板上的每個(gè)設備都需要嚴格控制和一致的電壓提供給它，以保證一致和穩定的運行。其中一些設備（例如大引腳數處理器）需要幾種不同的電壓和比其他部件更高的電流才能運行。這些組件的需求必須由 PDN 管理，否則會(huì )對電路板上的其他組件產(chǎn)生不利影響。

地面彈跳

隨著(zhù)高速設計中開(kāi)關(guān)速率的提高，信號的低電平狀態(tài)可能不會(huì )一直回到參考地電平。這種接地反彈也稱(chēng)為同步開(kāi)關(guān)噪聲或 SSN。隨著(zhù)信號的低電平向上漂移，它最終可能會(huì )被誤解為高電平，從而導致傳輸錯誤數據。

電源波紋

SMPS（開(kāi)關(guān)模式電源）的開(kāi)關(guān)會(huì )導致電源紋波在整個(gè)設計中擴散。這些漣漪可能會(huì )產(chǎn)生串擾，壓倒并干擾附近電路的運行。

電磁干擾

如果設計不正確，在開(kāi)關(guān)狀態(tài)之間切換 SMPS 會(huì )產(chǎn)生 EMI。EMI 不僅會(huì )影響板上電路的平穩運行，還會(huì )干擾外部電子設備。EMI 還與電路板的電源和接地層的配置方式密切相關(guān)。這些平面不僅為 PDN 提供電源和接地，而且還可以作為有效的 EMI 屏蔽。平面的配置方式也必須考慮屏蔽。

信號返回路徑

雖然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 系統的一部分，在設計電源完整性時(shí)必須考慮。高密度部件將有許多用于信號和電源和接地連接的過(guò)孔，但這些過(guò)孔會(huì )阻塞參考平面上的清晰返回路徑。此外，某些電源要求可能會(huì )導致設計人員拆分平面，如下圖所示。然而，這些分裂可能會(huì )影響高速信號的清晰返回路徑——產(chǎn)生更多的 EMI——并且必須仔細設計。

現在我們已經(jīng)看到了一些基本的電源完整性問(wèn)題，讓我們看看有助于防止這些問(wèn)題的 PCB 布局最佳實(shí)踐和電源完整性基礎知識。

PCB分板

實(shí)現良好電源完整性的 PCB 布局技巧

在布局 PCB 設計時(shí)，以下是一些需要密切注意的領(lǐng)域，以避免我們一直在討論的一些電源完整性問(wèn)題。

板層堆疊配置

電路板的 PDN 與電路板疊層中的層配置密切相關(guān)。接地層必須有策略地放置，以便為敏感信號路由提供微帶和帶狀線(xiàn)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。布置平面層以確保將所有功率輸送到每個(gè)部件也很重要。這可能需要針對不同電壓拆分電源層。通過(guò)首先制定設計的平面圖，您將更好地了解不同的功能分區，并相應地配置您的 PDN。

元件放置

必須在 PDN 中仔細管理參考電壓，以確保組件獲得所需的電源。這將防止地彈引起敏感信號的錯誤觸發(fā)。這樣做意味著(zhù)添加多個(gè)旁路電容器以穩定 PDN 以應對處理器和其他消耗大量功率的部件的需求。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。在電路板的同一側像這樣將部件靠在一起放置對于電源來(lái)說(shuō)也很重要，因為短而直接的布線(xiàn)是必不可少的。請記住保持電路的模擬、數字和電源部分相互隔離，以防止電源噪聲干擾模擬和數字信號。

跟蹤路由

從電源引腳布線(xiàn)到旁路電容器時(shí)，走線(xiàn)應盡可能短。在布線(xiàn)電源時(shí)，使用 45 度角或圓角使這些走線(xiàn)盡可能短、寬和直。更寬的走線(xiàn)對于增加電力網(wǎng)絡(luò )的電流和溫度是必要的，同時(shí)，將減少線(xiàn)路上的電感并有助于防止串擾。PDN 中更短的布線(xiàn)還將最大限度地減少這些走線(xiàn)作為天線(xiàn)運行并產(chǎn)生額外噪聲的可能性。請記住使數字和模擬布線(xiàn)遠離電源區域，以保護它們免受噪聲影響。

最好使用實(shí)心平面進(jìn)行接地，而不是使用走線(xiàn)布線(xiàn)。這將有助于熱管理和電源完整性，但它也將通過(guò)為敏感的高速傳輸線(xiàn)提供清晰的信號返回路徑來(lái)幫助信號完整性。但請記住，不要用切口、裂口或大組過(guò)孔阻塞清晰的信號路徑。創(chuàng )建接地層時(shí)，請確保其輪廓包含所有有助于 EMI 屏蔽的組件。而且，最重要的是，請記住仔細規劃平面分割，以確保功率均勻分配到所有部件。

PCB 設計工具中有許多功能可以幫助在設計中創(chuàng )建良好的電源完整性，接下來(lái)我們將研究如何最好地利用這些功能。