PCB设计PDN设计指南

2020-10-14

尽管我见过一些電(diàn)路板在起火时冒烟，但PDN不良造成的大多(duō)数问题通常并没有(yǒu)那么严重。但是，它们同样具有(yǒu)破坏性，因為(wèi)设计不当的PDN可(kě)能(néng)会导致间歇性问题，从而彻底破坏電(diàn)路板。让我们深入了解如何使用(yòng)您的PDN设计指南来设计電(diàn)路板的供電(diàn)网络。

電(diàn)路板上的所有(yǒu)有(yǒu)源電(diàn)子组件都需要電(diàn)源才能(néng)运行，為(wèi)此，PCB需要设计良好的電(diàn)源传输网络（PDN）。一次，PCB上的集成電(diàn)路设备只有(yǒu)一个電(diàn)源和接地引脚，并且可(kě)以通过一条简单的宽走線(xiàn)轻松连接。然后，随着電(diàn)路密度的增加，将它们与多(duō)层板上的電(diàn)源和接地层连接变得更加容易。但是随着引脚数的增加以及IC的功率要求变得越来越复杂，電(diàn)路板开始遇到以下一些问题：

電(diàn)磁干扰（EMI）：電(diàn)路变得越快，它对来自内部和外部源的EMI越敏感。防止EMI问题的一种方法是配置電(diàn)源和接地层，以屏蔽传入和传出的干扰。

接地反弹：当许多(duō)数字信号同时处于开关状态时，它会产生一种称為(wèi)同时开关噪声（SSN）或接地反弹的效应。这可(kě)以在内存或数据总線(xiàn)中看到，并且如果快速切换导致信号不返回其参考地電(diàn)平，则它们将在其上方反弹。这种影响会在電(diàn)路中产生不希望有(yǒu)的噪声，从而有(yǒu)可(kě)能(néng)产生错误的开关并破坏设备的运行。精心设计的PDN可(kě)以帮助控制参考地平面。

電(diàn)源纹波：开关也可(kě)能(néng)由電(diàn)源引起，这会在電(diàn)路中产生噪声或纹波。这些纹波可(kě)能(néng)会在其他(tā)電(diàn)路中表现為(wèi)串扰，这可(kě)能(néng)会对这些電(diàn)路中的信号产生不利影响。

随着现代電(diàn)路更快的开关速度，IC上还有(yǒu)更多(duō)的電(diàn)源和接地连接需要管理(lǐ)。如果采用(yòng)球栅阵列（BGA）封装的大型处理(lǐ)器芯片，则可(kě)以有(yǒu)数百个处于不同参考電(diàn)平的電(diàn)源和接地引脚。这些引脚还可(kě)以拉动大量電(diàn)流来為(wèi)处理(lǐ)器供電(diàn)，并且要确保電(diàn)源干净无任何尖峰，波纹或噪声，需要精心设计的PDN。但是，除了提供清洁電(diàn)源外，PDN还需要执行其他(tā)一些重要的電(diàn)气任務(wù)。

通孔可(kě)以在接地层上形成有(yǒu)效的屏障，以实现清晰的信号返回路径。

权力和地面的许多(duō)作用(yòng)

虽然PDN的成功设计似乎应该只专注于為(wèi)其处理(lǐ)器芯片和其他(tā)大型IC提供清洁電(diàn)源，但实际上，PDN还有(yǒu)很(hěn)多(duō)工作要做。这些任務(wù)之一是為(wèi)高速，敏感的信号在接地层上提供清晰的返回路径，但是有(yǒu)一些潜在的问题需要注意。 

如上图所示，由于需要為(wèi)高密度零件上的多(duō)个引脚提供電(diàn)源和接地，这些平面可(kě)能(néng)会被过孔填满。这些在飞机上造成障碍，使信号返回很(hěn)难找到返回其源头的清晰路径。当这些返回信号四处游荡以试图找到回家的路时，它们会产生噪声并破坏设计的信号完整性。因此，设计人员面临的挑战是為(wèi)所有(yǒu)有(yǒu)源器件提供足够的電(diàn)源和接地，同时确保不阻塞返回路径。

接地层的另一个任務(wù)是提供微带或带状線(xiàn)层配置，以控制高速传输線(xiàn)的阻抗。通过在两个接地平面之间或两个接地平面之间路由走線(xiàn)的特定宽度（仔细控制它们之间的绝缘材料的厚度和介電(diàn)常数（Dk）），走線(xiàn)将以特定的阻抗水平工作。这将有(yǒu)助于消除来自这些走線(xiàn)的任何信号反射，并且是控制電(diàn)路板信号完整性的另一个重要部分(fēn)。这里的挑战是以同时满足功率传输要求和微带或带状線(xiàn)配置要求的方式配置平面。

成功的PDN设计要求均匀分(fēn)布许多(duō)不同的電(diàn)源和接地网到板上的不同设备。虽然為(wèi)每个所需電(diàn)压设置一个单独的平面层会很(hěn)方便，但这些网络的数量通常超过了板叠中的可(kě)用(yòng)层数。為(wèi)了解决这个问题，PCB设计人员通常会拆分(fēn)平面，以便他(tā)们可(kě)以在信号平面层上布線(xiàn)多(duō)个電(diàn)源或接地网络。然而，挑战在于，尽管分(fēn)离平面确实可(kě)以有(yǒu)效地分(fēn)配不同的電(diàn)源和接地网络，但也会為(wèi)信号返回路径创造额外的障碍。因此，PCB设计人员需要设计其分(fēn)离平面，以均匀地传送所有(yǒu)電(diàn)源和地，同时保留敏感的高速信号所需的清晰返回路径。

尽管良好的PDN设计可(kě)能(néng)需要使用(yòng)非对称的板层堆叠，但是某些制造商(shāng)会对该配置存在问题。PCB制造商(shāng)通常希望将板层堆叠的顶层镜像到底层，以创建对称的层堆叠。随着制造过程的温度和高压，不均匀的层堆叠的组合会导致板的翘曲。板越大，该效果越明显。電(diàn)路板翘曲会给長(cháng)而高速的传输線(xiàn)布線(xiàn)中使用(yòng)的细金属走線(xiàn)以及焊点造成压力。

為(wèi)避免这些问题，電(diàn)路板设计人员应考虑以下事项：

尽可(kě)能(néng)使電(diàn)源层和接地层在板层堆叠中对称，如果不影响信号完整性的话。

确保在整个板层堆叠中，预浸料和芯层的厚度也对称。

尝试将電(diàn)路板最密集的铜层保持在堆叠的中心。同样，这必须结合良好的信号完整性实践来完成。

对不同的平面层使用(yòng)相同的铜砝码。

考虑在没有(yǒu)太多(duō)金属的電(diàn)路板上添加金属填充物(wù)（倒铜）。

最重要的是，在您提交之前，请与您的PCB制造商(shāng)联系以建议的板层堆叠，以确保他(tā)们能(néng)够制造它。

除了我们已经讨论好的PDN准则之外，别忘了在印刷電(diàn)路板上处理(lǐ)大面积金属的一些基本规则。首先，為(wèi)您的组件使用(yòng)散热垫，以辅助焊接。那些大面积的金属将充当巨大的散热器，并与它们一起吸收热量和焊料。其次，对于焊接到外部平面的表面安装零件，不要忘记也要管理(lǐ)它们的连接。同样，金属的实心區(qū)域将充当散热器并引起热不平衡。这种不平衡可(kě)能(néng)导致小(xiǎo)的两针无源器件在回流焊期间像墓碑一样直立起来。

為(wèi)了在電(diàn)路板上设计出良好的PDN，有(yǒu)很(hěn)多(duō)知识要知道，幸运的是，在设计工具中可(kě)以找到很(hěn)多(duō)帮助。