高速PCB中電源完整性的設(shè)計(jì)

一、引言

隨著PCB設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高，對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射，串?dāng)_以及EMI之外，穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，核心電壓不斷減小的時(shí)候，電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI（Powerintegrity）。當(dāng)今國際市場上，IC設(shè)計(jì)比較發(fā)達(dá)，但電源完整性設(shè)計(jì)還是一個(gè)薄弱的環(huán)節(jié)。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產(chǎn)生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優(yōu)化方法與經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)，具有較強(qiáng)的理論分析與實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。

二、電源噪聲的起因及分析

對(duì)于電源噪聲的起因我們通過一個(gè)與非門電路圖進(jìn)行分析。圖1中的電路圖為一個(gè)三輸入與非門的結(jié)構(gòu)圖，因?yàn)榕c非門屬于數(shù)字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術(shù)的不斷提高，數(shù)字器件的切換速度也越來越快，這就引進(jìn)了更多的高頻分量，同時(shí)回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動(dòng)。如在圖1中，當(dāng)與非門輸入全為高電平時(shí)，電路中的三極管導(dǎo)通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時(shí)流入地線。此時(shí)由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產(chǎn)生電壓波動(dòng)，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當(dāng)與非門輸入為低電平時(shí)，此時(shí)電容放電，將在地線上產(chǎn)生較大的ΔI噪聲;而電源此時(shí)只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對(duì)于上升沿來說要小。從對(duì)與非門的電路進(jìn)行分析我們知道，造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面：一是器件高速開關(guān)狀態(tài)下，瞬態(tài)的交變電流過大;　
　

二是電流回路上存在的電感。所謂地電源完整性問題是指在高速PCB中，當(dāng)大量的芯片同時(shí)開啟或關(guān)閉時(shí)，在電路中就會(huì)產(chǎn)生較大的瞬態(tài)電流，同時(shí)由于電源線和地線上電感電阻的存在，就會(huì)在兩者之上產(chǎn)生電壓波動(dòng)。了解到電源完整性問題的本質(zhì)，我們知道，要解決電源完整性問題，首先對(duì)于高速器件來說，我們通過加去耦電容來去掉它的高頻噪聲分量，這樣就減少信號(hào)的瞬變時(shí)間;對(duì)于回路中所存在的電感來說，我們則要從電源的分層設(shè)計(jì)來考慮。

三、去耦電容的應(yīng)用

在高速PCB設(shè)計(jì)中，去耦電容起著重要的作用，它的放置位置也很重要。這是因?yàn)樵陔娫聪蜇?fù)載短時(shí)間供電中，電容中的存儲(chǔ)電荷可防止電壓下降，如電容放置位置不恰當(dāng)可使線阻抗過大，影響供電。同時(shí)電容在器件的高速切換時(shí)可濾除高頻噪聲。我們?cè)诟咚貾CB設(shè)計(jì)中，一般在電源的輸出端和芯片的電源輸入端各加一個(gè)去耦電容，其中靠近電源端的電容值一般較大（如10μF），這是因?yàn)镻CB中我們一般用的是直流電源，為了濾除電源噪聲電容的諧振頻率可以相對(duì)較低;同時(shí)大電容可以確保電源輸出的穩(wěn)定性。對(duì)于芯片接電源的引腳處所加的去耦電容來說，其電容值一般較?。ㄈ?.1μF），這是因?yàn)樵诟咚傩酒校肼曨l率一般都比較高，這就要求所加去耦電容的諧振頻率要高，即去耦電容的容值要小。

對(duì)于去耦電容的放置，我們知道，如果位置不當(dāng)?shù)脑挄?huì)增大線路阻抗，降低其諧振頻率同時(shí)影響供電。對(duì)于去耦電容和芯片或電源中的電感，我們可以通過公式：求出

在公式中，l：電容與芯片間的線長;r：線半徑;d：電源線與地之間的距離;

由此我們知道，要減少電感L，則必須減少l和d，即減少去耦電容和芯片所形成的環(huán)路面積，也就是要求電容與芯片盡可能靠近芯片器件。