PCB 布局中的电源完整性基础知识

2021-07-31

PCB 布局中的电源完整性基础知识

多年来，PCB 布局工程师以这种想法处理电源和接地——只要电路板具有 VCC 和接地层，只需将过孔放入其中即可获得源源不断的电源。然而，对于当今的高速设计，事实却大不相同。

电路板中的电源供应可能不是一个平静而风景如画的湖泊，而是一场暴风雨般的噩梦，充满了威胁要淹没小船的涟漪和波浪。高速电路所需的组件需要大量功率，会产生尖峰信号，威胁电路板上其他部件的平稳运行。为了电路板的最佳性能，必须管理这些水的完整性，以便电路板能够为其所有需求提供均衡和持续的电力供应。以下是一些电源完整性基础知识，可帮助您平息设计中的供电网络风暴。

由于电源完整性缺陷导致的电路板问题

曾几何时，电路板组件非常简单，许多组件上只有一个电源和一个接地引脚。这些设备非常易于使用，尤其是通孔版本，因为它们可以轻松连接到电路板的 VCC 和接地层。甚至他们的旁路电容器也很容易放置和布线，因为它们正好位于零件的顶部，可以轻松地布线到 IC 的引脚 14。此外，这些部件对供电网络中的微小波动不那么敏感，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的组件，这一切都发生了巨大的变化。

必须仔细管理电路板的供电网络 (PDN)，以通过 PCB 为其所有组件提供清洁电源。未针对良好电源完整性设计的电路板可能会出现许多问题，例如在电路板的高速电路中产生串扰的电源纹波。我们将进一步研究电源完整性不良可能为电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 中的过多噪声会影响组件所需的电压水平，如果它们低于可接受的水平，相关电路可能会出现故障。

即使电压在器件要求的容差范围内，PDN 上的噪声也可能表现为信号上的串扰，导致这些信号被误解。

PDN 噪声有可能通过供电网络的平面和连接辐射 EMI。

以上所有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 设计中良好的电源完整性对于设计的成功至关重要，因此，让我们探索一些电源完整性基础知识。

这些组件的布局有助于实现短而直接的布线，从而有助于实现电源完整性

值得注意的电源完整性基础

电路板中良好的电源完整性意味着其电源传输网络旨在提供稳定的电压参考，并在可接受的噪声和容限范围内将电源分配给所有电路板组件。PDN 必须能够在整个系统中均匀分配功率——从电源到相关的布线和过孔，通过平面和电容器，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电压提供给它，以保证一致和稳定的运行。其中一些设备（例如大引脚数处理器）需要几种不同的电压和比其他部件更高的电流才能运行。这些组件的需求必须由 PDN 管理，否则会对电路板上的其他组件产生不利影响。

地面弹跳

随着高速设计中开关速率的提高，信号的低电平状态可能不会一直回到参考地电平。这种接地反弹也称为同步开关噪声或 SSN。随着信号的低电平向上漂移，它最终可能会被误解为高电平，从而导致传输错误数据。

电源波纹

SMPS（开关模式电源）的开关会导致电源纹波在整个设计中扩散。这些涟漪可能会产生串扰，压倒并干扰附近电路的运行。

电磁干扰

如果设计不正确，在开关状态之间切换 SMPS 会产生 EMI。EMI 不仅会影响板上电路的平稳运行，还会干扰外部电子设备。EMI 还与电路板的电源和接地层的配置方式密切相关。这些平面不仅为 PDN 提供电源和接地，而且还可以作为有效的 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，但参考平面是电路板 PDN 系统的一部分，在设计电源完整性时必须考虑。高密度部件将有许多用于信号和电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，某些电源要求可能会导致设计人员拆分平面，如下图所示。然而，这些分裂可能会影响高速信号的清晰返回路径——产生更多的 EMI——并且必须仔细设计。

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

PCB分板

实现良好电源完整性的 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电源完整性问题。

板层堆叠配置

电路板的 PDN 与电路板叠层中的层配置密切相关。接地层必须有策略地放置，以便为敏感信号路由提供微带和带状线层配置。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功率输送到每个部件也很重要。这可能需要针对不同电压拆分电源层。通过首先制定设计的平面图，您将更好地了解不同的功能分区，并相应地配置您的 PDN。

元件放置

必须在 PDN 中仔细管理参考电压，以确保组件获得所需的电源。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个旁路电容器以稳定 PDN 以应对处理器和其他消耗大量功率的部件的需求。您需要将这些电容器尽可能靠近它们所连接的电源引脚放置。在电路板的同一侧像这样将部件靠在一起放置对于电源来说也很重要，因为短而直接的布线是必不可少的。请记住保持电路的模拟、数字和电源部分相互隔离，以防止电源噪声干扰模拟和数字信号。

跟踪路由

从电源引脚布线到旁路电容器时，走线应尽可能短。在布线电源时，使用 45 度角或圆角使这些走线尽可能短、宽和直。更宽的走线对于增加电力网络的电流和温度是必要的，同时，将减少线路上的电感并有助于防止串扰。PDN 中更短的布线还将最大限度地减少这些走线作为天线运行并产生额外噪声的可能性。请记住使数字和模拟布线远离电源区域，以保护它们免受噪声影响。

最好使用实心平面进行接地，而不是使用走线布线。这将有助于热管理和电源完整性，但它也将通过为敏感的高速传输线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有助于 EMI 屏蔽的组件。而且，最重要的是，请记住仔细规划平面分割，以确保功率均匀分配到所有部件。

PCB 设计工具中有许多功能可以帮助在设计中创建良好的电源完整性，接下来我们将研究如何最好地利用这些功能。