高速PCB中电源完整性的设计

高速PCB中电源完整性的设计

一、引言

随着PCB设计复杂度的逐步提高，对于信号完整性的分析除了反射，串扰以及EMI之外，稳定可靠的电源供应也成为设计者们重点研究的方向之一。尤其当开关器件数目不断增加，核心电压不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命的影响，于是人们提出了新的名词：电源完整性，简称PI（powerintegrity）。当今国际市场上，IC设计比较发达，但电源完整性设计还是一个薄弱的环节。因此本文提出了PCB板中电源完整性问题的产生，分析了影响电源完整性的因素并提出了解决PCB板中电源完整性问题的优化方法与经验设计，具有较强的理论分析与实际工程应用价值。

二、电源噪声的起因及分析

对于电源噪声的起因我们通过一个与非门电路图进行分析。图1中的电路图为一个三输入与非门的结构图，因为与非门属于数字器件，它是通过“1”和“0”电平的切换来工作的。随着IC技术的不断提高，数字器件的切换速度也越来越快，这就引进了更多的高频分量，同时回路中的电感在高频下就很容易引起电源波动。如在图1中，当与非门输入全为高电平时，电路中的三极管导通，电路瞬间短路，电源向电容充电，同时流入地线。此时由于电源线和地线上存在寄生电感，我们由公式V=LdI/dt可知，这将在电源线和地线上产生电压波动，如图2中所示的电平上升沿所引入的ΔI噪声。当与非门输入为低电平时，此时电容放电，将在地线上产生较大的ΔI噪声;而电源此时只有电路的瞬间短路所引起的电流突变，由于不存在向电容充电而使电流突变相对于上升沿来说要小。从对与非门的电路进行分析我们知道，造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大;

二是电流回路上存在的电感。所谓地电源完整性问题是指在高速PCB中，当大量的芯片同时开启或关闭时，在电路中就会产生较大的瞬态电流，同时由于电源线和地线上电感电阻的存在，就会在两者之上产生电压波动。了解到电源完整性问题的本质，我们知道，要解决电源完整性问题，首先对于高速器件来说，我们通过加去耦电容来去掉它的高频噪声分量，这样就减少信号的瞬变时间;对于回路中所存在的电感来说，我们则要从电源的分层设计来考虑。

三、去耦电容的应用

在高速PCB设计中，去耦电容起着重要的作用，它的放置位置也很重要。这是因为在电源向负载短时间供电中，电容中的存储电荷可防止电压下降，如电容放置位置不恰当可使线阻抗过大，影响供电。同时电容在器件的高速切换时可滤除高频噪声。我们在高速PCB设计中，一般在电源的输出端和芯片的电源输入端各加一个去耦电容，其中靠近电源端的电容值一般较大（如10μF），这是因为PCB中我们一般用的是直流电源，为了滤除电源噪声电容的谐振频率可以相对较低;同时大电容可以确保电源输出的稳定性。对于芯片接电源的引脚处所加的去耦电容来说，其电容值一般较小（如0.1μF），这是因为在高速芯片中，噪声频率一般都比较高，这就要求所加去耦电容的谐振频率要高，即去耦电容的容值要小。

对于去耦电容的放置，我们知道，如果位置不当的话会增大线路阻抗，降低其谐振频率同时影响供电。对于去耦电容和芯片或电源中的电感，我们可以通过公式：求出在公式中，l：电容与芯片间的线长;r：线半径;d：电源线与地之间的距离;

，

由此我们知道，要减少电感L，则必须减少l和d，即减少去耦电容和芯片所形成的环路面积，也就是要求电容与芯片尽可能靠近芯片器件。

四、电源回路的设计

要保证电源完整性，我们知道，良好的电源分配网络是必不可少的。首先对电源线和

地线的设计，我们要保证线宽加粗（如宽为40mil，而普通信号线为10mil），这样才能尽可能地减少其阻抗值。随着芯片的速度越来越高，根据5/5规则，我们越来越多地使用多层板，通过专用的电源层进行供电和专用的地层构成回路，这样就减少了线路的电感。

图4中所示的是一个四层板的信号回路图，高频信号将从地层返回，在地层理想的情况下（没有分隔和过多的过孔），高频信号线将在地层上形成射频的镜像回路，返回电流将主要从高频信号在地层上的镜像路径返回，而在PCB中，信号线与地层之间的距离非常小（大约是0.3mm），这样就形成了小环路，不仅可以减少电源完整性的问题，也能够减少环路的射频辐射，避免引起其它的电磁兼容性问题。但在当今高集成度的PCB设计中，由于芯片集成度过高，过孔过密，多电源供电及数字器件及模拟器件共存所引起的电源层和地层的分隔等因素，要保证电源回路的畅通无阻则是很难的。