PCB 布局中的電(diàn)源完整性基础知识

2021-07-31

PCB 布局中的電(diàn)源完整性基础知识

多(duō)年来，PCB 布局工程师以这种想法处理(lǐ)電(diàn)源和接地——只要電(diàn)路板具有(yǒu) VCC 和接地层，只需将过孔放入其中即可(kě)获得源源不断的電(diàn)源。然而，对于当今的高速设计，事实却大不相同。

電(diàn)路板中的電(diàn)源供应可(kě)能(néng)不是一个平静而风景如画的湖(hú)泊，而是一场暴风雨般的噩梦，充满了威胁要淹没小(xiǎo)船的涟漪和波浪。高速電(diàn)路所需的组件需要大量功率，会产生尖峰信号，威胁電(diàn)路板上其他(tā)部件的平稳运行。為(wèi)了電(diàn)路板的最佳性能(néng)，必须管理(lǐ)这些水的完整性，以便電(diàn)路板能(néng)够為(wèi)其所有(yǒu)需求提供均衡和持续的電(diàn)力供应。以下是一些電(diàn)源完整性基础知识，可(kě)帮助您平息设计中的供電(diàn)网络风暴。

由于電(diàn)源完整性缺陷导致的電(diàn)路板问题

曾几何时，電(diàn)路板组件非常简单，许多(duō)组件上只有(yǒu)一个電(diàn)源和一个接地引脚。这些设备非常易于使用(yòng)，尤其是通孔版本，因為(wèi)它们可(kě)以轻松连接到電(diàn)路板的 VCC 和接地层。甚至他(tā)们的旁路電(diàn)容器也很(hěn)容易放置和布線(xiàn)，因為(wèi)它们正好位于零件的顶部，可(kě)以轻松地布線(xiàn)到 IC 的引脚 14。此外，这些部件对供電(diàn)网络中的微小(xiǎo)波动不那么敏感，它们的信号速度也不够快，不会产生问题。但是，随着当今高速设计中使用(yòng)的组件，这一切都发生了巨大的变化。

必须仔细管理(lǐ)電(diàn)路板的供電(diàn)网络 (PDN)，以通过 PCB 為(wèi)其所有(yǒu)组件提供清洁電(diàn)源。未针对良好電(diàn)源完整性设计的電(diàn)路板可(kě)能(néng)会出现许多(duō)问题，例如在電(diàn)路板的高速電(diàn)路中产生串扰的電(diàn)源纹波。我们将进一步研究電(diàn)源完整性不良可(kě)能(néng)為(wèi)電(diàn)路板带来的不同类型的问题，但首先，让我们看看这些问题的结果：

PDN 中的过多(duō)噪声会影响组件所需的電(diàn)压水平，如果它们低于可(kě)接受的水平，相关電(diàn)路可(kě)能(néng)会出现故障。

即使電(diàn)压在器件要求的容差范围内，PDN 上的噪声也可(kě)能(néng)表现為(wèi)信号上的串扰，导致这些信号被误解。

PDN 噪声有(yǒu)可(kě)能(néng)通过供電(diàn)网络的平面和连接辐射 EMI。

以上所有(yǒu)情况都会在测试和调试期间给设计人员带来巨大的麻烦。

显然，PCB 设计中良好的電(diàn)源完整性对于设计的成功至关重要，因此，让我们探索一些電(diàn)源完整性基础知识。

这些组件的布局有(yǒu)助于实现短而直接的布線(xiàn)，从而有(yǒu)助于实现電(diàn)源完整性

值得注意的電(diàn)源完整性基础

電(diàn)路板中良好的電(diàn)源完整性意味着其電(diàn)源传输网络旨在提供稳定的電(diàn)压参考，并在可(kě)接受的噪声和容限范围内将電(diàn)源分(fēn)配给所有(yǒu)電(diàn)路板组件。PDN 必须能(néng)够在整个系统中均匀分(fēn)配功率——从電(diàn)源到相关的布線(xiàn)和过孔，通过平面和電(diàn)容器，最后到单个设备。板上的每个设备都需要严格控制和一致的電(diàn)压提供给它，以保证一致和稳定的运行。其中一些设备（例如大引脚数处理(lǐ)器）需要几种不同的電(diàn)压和比其他(tā)部件更高的電(diàn)流才能(néng)运行。这些组件的需求必须由 PDN 管理(lǐ)，否则会对電(diàn)路板上的其他(tā)组件产生不利影响。

地面弹跳

随着高速设计中开关速率的提高，信号的低電(diàn)平状态可(kě)能(néng)不会一直回到参考地電(diàn)平。这种接地反弹也称為(wèi)同步开关噪声或 SSN。随着信号的低電(diàn)平向上漂移，它最终可(kě)能(néng)会被误解為(wèi)高電(diàn)平，从而导致传输错误数据。

電(diàn)源波纹

SMPS（开关模式電(diàn)源）的开关会导致電(diàn)源纹波在整个设计中扩散。这些涟漪可(kě)能(néng)会产生串扰，压倒并干扰附近電(diàn)路的运行。

電(diàn)磁干扰

如果设计不正确，在开关状态之间切换 SMPS 会产生 EMI。EMI 不仅会影响板上電(diàn)路的平稳运行，还会干扰外部電(diàn)子设备。EMI 还与電(diàn)路板的電(diàn)源和接地层的配置方式密切相关。这些平面不仅為(wèi) PDN 提供電(diàn)源和接地，而且还可(kě)以作為(wèi)有(yǒu)效的 EMI 屏蔽。平面的配置方式也必须考虑屏蔽。

信号返回路径

虽然清晰的信号返回路径是创建良好信号完整性的一部分(fēn)，但参考平面是電(diàn)路板 PDN 系统的一部分(fēn)，在设计電(diàn)源完整性时必须考虑。高密度部件将有(yǒu)许多(duō)用(yòng)于信号和電(diàn)源和接地连接的过孔，但这些过孔会阻塞参考平面上的清晰返回路径。此外，某些電(diàn)源要求可(kě)能(néng)会导致设计人员拆分(fēn)平面，如下图所示。然而，这些分(fēn)裂可(kě)能(néng)会影响高速信号的清晰返回路径——产生更多(duō)的 EMI——并且必须仔细设计。

现在我们已经看到了一些基本的電(diàn)源完整性问题，让我们看看有(yǒu)助于防止这些问题的 PCB 布局最佳实践和電(diàn)源完整性基础知识。

PCB分(fēn)板

实现良好電(diàn)源完整性的 PCB 布局技巧

在布局 PCB 设计时，以下是一些需要密切注意的领域，以避免我们一直在讨论的一些電(diàn)源完整性问题。

板层堆叠配置

電(diàn)路板的 PDN 与電(diàn)路板叠层中的层配置密切相关。接地层必须有(yǒu)策略地放置，以便為(wèi)敏感信号路由提供微带和带状線(xiàn)层配置。这些层将提供所需的清晰信号返回路径，并提供 EMI 屏蔽。布置平面层以确保将所有(yǒu)功率输送到每个部件也很(hěn)重要。这可(kě)能(néng)需要针对不同電(diàn)压拆分(fēn)電(diàn)源层。通过首先制定设计的平面图，您将更好地了解不同的功能(néng)分(fēn)區(qū)，并相应地配置您的 PDN。

元件放置

必须在 PDN 中仔细管理(lǐ)参考電(diàn)压，以确保组件获得所需的電(diàn)源。这将防止地弹引起敏感信号的错误触发。这样做意味着添加多(duō)个旁路電(diàn)容器以稳定 PDN 以应对处理(lǐ)器和其他(tā)消耗大量功率的部件的需求。您需要将这些電(diàn)容器尽可(kě)能(néng)靠近它们所连接的電(diàn)源引脚放置。在電(diàn)路板的同一侧像这样将部件靠在一起放置对于電(diàn)源来说也很(hěn)重要，因為(wèi)短而直接的布線(xiàn)是必不可(kě)少的。请记住保持電(diàn)路的模拟、数字和電(diàn)源部分(fēn)相互隔离，以防止電(diàn)源噪声干扰模拟和数字信号。

跟踪路由

从電(diàn)源引脚布線(xiàn)到旁路電(diàn)容器时，走線(xiàn)应尽可(kě)能(néng)短。在布線(xiàn)電(diàn)源时，使用(yòng) 45 度角或圆角使这些走線(xiàn)尽可(kě)能(néng)短、宽和直。更宽的走線(xiàn)对于增加電(diàn)力网络的電(diàn)流和温度是必要的，同时，将减少線(xiàn)路上的電(diàn)感并有(yǒu)助于防止串扰。PDN 中更短的布線(xiàn)还将最大限度地减少这些走線(xiàn)作為(wèi)天線(xiàn)运行并产生额外噪声的可(kě)能(néng)性。请记住使数字和模拟布線(xiàn)遠(yuǎn)离電(diàn)源區(qū)域，以保护它们免受噪声影响。

最好使用(yòng)实心平面进行接地，而不是使用(yòng)走線(xiàn)布線(xiàn)。这将有(yǒu)助于热管理(lǐ)和電(diàn)源完整性，但它也将通过為(wèi)敏感的高速传输線(xiàn)提供清晰的信号返回路径来帮助信号完整性。但请记住，不要用(yòng)切口、裂口或大组过孔阻塞清晰的信号路径。创建接地层时，请确保其轮廓包含所有(yǒu)有(yǒu)助于 EMI 屏蔽的组件。而且，最重要的是，请记住仔细规划平面分(fēn)割，以确保功率均匀分(fēn)配到所有(yǒu)部件。

PCB 设计工具中有(yǒu)许多(duō)功能(néng)可(kě)以帮助在设计中创建良好的電(diàn)源完整性，接下来我们将研究如何最好地利用(yòng)这些功能(néng)。