如何權(quán)衡PCB的電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在進(jìn)行比較復(fù)雜的板子設(shè)計(jì)的時(shí)候，你必須進(jìn)行一些設(shè)計(jì)權(quán)衡。因?yàn)檫@些權(quán)衡，那么就存在一些因素會(huì)影響到PCB的電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)。

當(dāng)電容安裝在PCB板上時(shí)，就會(huì)存在一個(gè)額外的回路電感，這個(gè)電感就與電容的安裝有關(guān)系?；芈冯姼兄档拇笮∈且蕾囉谠O(shè)計(jì)的?；芈冯姼械拇笮∪Q于電容到過孔的這段線的線寬和線長(zhǎng)，走線的長(zhǎng)度即連接電容和電源/地平面長(zhǎng)度，兩個(gè)孔間的距離，孔的直徑，電容的焊盤，等等。如圖1所示為各種電容的安裝圖形。

圖1 最佳的和最差的電容布局

減小電容回路電感的設(shè)計(jì)要點(diǎn)：

■孔要放在離電容盡可能近的地方。減小電源/地的孔間距。如果可以，用多對(duì)電源/地孔并聯(lián)在一起。諸如電流極性相反的兩個(gè)孔放置的盡量近，電流極性相同的孔放置的盡量遠(yuǎn)。

■用短而寬的走線來連接孔和電容引腳。

■把電容擺放在PCB的表面（頂層和底層）盡量靠近他們相應(yīng)的電源/地平面。這樣能減小孔之間的距離。在電源/地之間用薄的電解質(zhì)。

接下來是三種不同情況的設(shè)計(jì)，對(duì)于電容的安裝和傳播電感。圖2表示的是各種設(shè)計(jì)情況對(duì)回路電感量的引入情況。

圖2 設(shè)計(jì)情況

情況1-差的設(shè)計(jì)

■設(shè)計(jì)人員不關(guān)注電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的設(shè)計(jì)。

■孔的間距沒有優(yōu)化。

■電源和地平面間的距離沒有優(yōu)化。

■孔到電容引腳之間的走線距離較長(zhǎng)。

對(duì)于整個(gè)回路電感大小來講，回路電感主要來自所布的線，因?yàn)榕c其它兩種情況比較，差的設(shè)計(jì)時(shí)的線長(zhǎng)是它們（好的設(shè)計(jì)和非常好的設(shè)計(jì)）的5倍。從安裝電容的底層到最近平面的距離也是回路電感大小的主要因素。因?yàn)檫@是沒有優(yōu)化的（10mil），走線對(duì)整個(gè)回路電感大小的影響是非常大的。同樣，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員在電源和地之間用了10mil的電介質(zhì)材料，那么回路電感的次要因素來自傳播電感。過孔間的距離沒有優(yōu)化的效果相對(duì)于小孔的長(zhǎng)度就沒有那么的顯著。孔的影響在比較長(zhǎng)的過孔時(shí)會(huì)變得更大。

情況2-好的設(shè)計(jì)

■設(shè)計(jì)人員關(guān)注了部分電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的設(shè)計(jì)。

■孔的間距有所改善。孔的長(zhǎng)度保持不變。

■電源和地平面間的距離有所改善。

■過孔到電容引腳之間的走線距離經(jīng)過了優(yōu)化。

走線的回路電感依然還是整個(gè)回路電感的主要貢獻(xiàn)者。但是，好的設(shè)計(jì)的走線回路電感要比差的設(shè)計(jì)情況的的走線回路電感小2.7倍左右。因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員減小了電介質(zhì)的厚度，從10mil減小到了5mil，傳播電感減小了一半。由于減小了過孔間的距離，過孔的影響有了一點(diǎn)點(diǎn)改善。

情況3-非常好的設(shè)計(jì)

■設(shè)計(jì)人員非常注重PDN的設(shè)計(jì)。

■孔的間距和長(zhǎng)度都有改善。

■電源和地之間的距離也進(jìn)行了充分的優(yōu)化。

■ 過孔到電容引腳之間的走線距離經(jīng)過了優(yōu)化。

非常好的設(shè)計(jì)的走線的電感比差的設(shè)計(jì)的走線電感要小大約7.65倍。由于減少了走線長(zhǎng)度，在PCB板上減少了從電容安裝的底層表面到最近的平面層的厚度，這就達(dá)到了目的。由于設(shè)計(jì)人員已經(jīng)優(yōu)化了電源和地之間的電解質(zhì)層厚度，傳播電感就會(huì)大大的減小。由于孔間距和孔長(zhǎng)度大大的減小，那么過孔的回路電感也得到了顯著改善。相比差的設(shè)計(jì)，由于7個(gè)主要因素的其中之一減少，非常好的設(shè)計(jì)情況的總回路電感就被減少了。.

在PCB板上，額外的過孔回路電感通過安裝電容被引入，這樣就降低電容的諧振頻率。當(dāng)你在設(shè)計(jì)電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）時(shí)，必須要考慮到這個(gè)因素。在高頻設(shè)計(jì)的時(shí)候，減小回路電感是降低阻抗的唯一能看得見的方法。

對(duì)于給定的電源，相比較非常好的設(shè)計(jì)和差的設(shè)計(jì)情況，PDN工具產(chǎn)生的報(bào)告顯示非常好的設(shè)計(jì)的PCB截止頻率會(huì)更高。這也許與預(yù)期的結(jié)果是相反的，因?yàn)橄鄬?duì)于對(duì)低截止頻率的去耦，對(duì)較高截止頻率的去耦需要更多的電容。

對(duì)于非常好的設(shè)計(jì)的情況，較高的截止頻率意味著能對(duì)較高頻率進(jìn)行去耦。擺放在PCB板上的電容對(duì)噪聲直到一個(gè)較高頻都有去耦效果。

對(duì)于差的設(shè)計(jì)的情況，對(duì)超過較低截止頻率的PCB板不能去耦。任何額外的電容增加，即增加超過截止頻率的去耦電容只能增加BOM成本而對(duì)去耦效果沒有任何影響。相對(duì)于非常好的設(shè)計(jì)，對(duì)于差的這種設(shè)計(jì)情況，其電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)對(duì)于某一特定頻率的噪聲更容易受到影響

作為另外一個(gè)例子，假設(shè)一塊20層的PCB板總共有115mil的厚度。電源層在第3層。從第一層（FPGA在的這一層）到第3層的厚度有12mil。那么從底層到第3層的厚度就是103mil。電源和地層被3mil后的電介質(zhì)分離開。對(duì)于這種軌跡的BGA孔的電感大小為5nH（對(duì)于這種電源軌跡5對(duì)孔）。為了應(yīng)對(duì)第一層比較緊密的布局布線區(qū)域，與之相關(guān)聯(lián)的去耦電容都安裝在底層。由于這樣安裝會(huì)有很長(zhǎng)的過孔，這種權(quán)衡設(shè)計(jì)導(dǎo)致了很高的電容安裝電感值。經(jīng)過充分優(yōu)化后，0402封裝的電容在底層的安裝電感是2.3nH，而同樣的電容放在第一層的安裝電感是0.57nH。

為了改善這種給軌跡的PDN效果，你可以把一些高頻電容放置在第一層，同時(shí)把中頻和bulk電容還是放在原來的位置上即底層。這種電路設(shè)計(jì)對(duì)PDN是截止的解決方法，因?yàn)楦哳l電容是在截止頻率以下作為第一響應(yīng)的電容。電容的效果依賴于總的回路電感（電容的安裝電感+傳播電感+BGA孔的電感）與FPGA。你可以把高頻電容放在第一層并離FPGA稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)點(diǎn)的地方。電容放在FPGA breakout區(qū)域外的傳播電感是0.2nH。相對(duì)于原來放置在底層的方法，這種新的放置方法還是有益的，因?yàn)榭偟幕芈冯姼校?.57nH+0.2nH+0.05nH=0.82nH）比放置在底層的時(shí)候的總電感要小。

PCB板的傳播電感是與設(shè)計(jì)是相關(guān)，電源和地平面間的介質(zhì)中它是均勻存在的。3mil厚度或者更薄的厚度是最佳的減小平面?zhèn)鞑ル姼械脑O(shè)計(jì)。你可以根據(jù)如下的設(shè)計(jì)指導(dǎo)來提升PDN的性能。

如下的是關(guān)于順序重要性的設(shè)計(jì)指導(dǎo)，從第一層到底層—在第一層的設(shè)計(jì)指導(dǎo)是最重要的。

■減小電源和地層間電介質(zhì)厚度。當(dāng)設(shè)計(jì)板子的疊層時(shí)，確定電源、層和其他的層。舉一個(gè)例子，如疊層PWR1 - GND1 - SIG1 - SIG2- GND2 - PWR2要優(yōu)于PWR1 - SIG1 - GND1 - SIG2 - GND2 - PWR2這種疊層。第二種情況的結(jié)果是沒有對(duì)電源和地之間的距離優(yōu)化的設(shè)計(jì)。這樣的設(shè)置會(huì)導(dǎo)致大電容傳播電感在PWR1/GND1之間比在PWR2/GND2之間的電感大。你可以在電源和地平面之間找到一種典型的3mil的電介質(zhì)厚度而不增加額外的成本。對(duì)于額外的性能改善，考慮比3mil更薄的電介質(zhì)厚度。但是，這會(huì)導(dǎo)致PCB的成本上升。

■當(dāng)選定電容的時(shí)候，選擇多個(gè)電容值，而不是選擇一個(gè)相同值的大電容來達(dá)到目標(biāo)阻抗。在PDN中，阻抗的峰值是由諧振反應(yīng)形成的。高ESR在諧振頻率點(diǎn)能抑制諧振，因此減少阻抗峰值的高度。在電容的諧振頻率處和阻抗峰值處，用一些電容值相同的電容能截止的減少ESR。

在一個(gè)很寬的頻率范圍內(nèi)，選擇多種電容值的電容種類，能維持一個(gè)相對(duì)高的ESR。

■選擇放置高頻電容的位置，以減少整個(gè)回路電感。整個(gè)電感是由電容的ESL、安裝電感、傳播電感和BGA的過孔電感組成的。在放置電容時(shí)優(yōu)先放置高頻電容，其次是中頻和低頻電容。

■當(dāng)在分割平面時(shí)，確保平面的形狀成適當(dāng)?shù)姆叫巍１苊猹M長(zhǎng)的平面形狀，因?yàn)檫@樣做會(huì)限制電流的大小和增加平面的傳播電感。

■中頻和低頻的電容對(duì)于如何放置沒有那么的敏感?？梢园阉麄兎旁陔xFPGA稍微遠(yuǎn)一點(diǎn)的地方。

權(quán)衡多路設(shè)計(jì)的情況

在一塊有多路外設(shè)的PCB板上，你的設(shè)計(jì)就不能再共享一個(gè)供電電源。這也許需要你通過你的設(shè)計(jì)去執(zhí)行DDR的電源接口，聯(lián)合各種I/O口的電源軌跡，或者聯(lián)合各種接收端的電源軌跡以減少PCB的BOM成本和PCB的布局復(fù)雜度。

電源軌跡共享增加了PDN的復(fù)雜度，同時(shí)在PCB上和die的位置處也增加了大量的噪聲。對(duì)于多路的情況，設(shè)計(jì)電源的分配解決方法主要有兩步：

1 低頻解決方法

2 高頻解決方法

在非常低頻的時(shí)候，第一步確保VRM的大小是否適合處理各種電流的需要。