PCB布局中电源完整性的基础知识

PCB布局中电源完整性的基础知识

多年来，PCB layout 工程师都是这样处理电源和接地的——只要电路板有 VCC 和地平面，只需在其中打通孔即可获得持续供电。 然而，对于今天的高速设计来说，事实却大不相同。

电路板中的电源可能不是平静如画的湖泊，而是像暴风雨一样的噩梦，充满了涟漪和波浪，威胁着淹没小船。 高速电路所需的元件需要大量的功率，这会产生尖峰信号，威胁电路板上其他元件的平稳运行。 为了实现电路板的最佳性能，必须管理水的完整性，以便电路板能够为其所有需求提供平衡且连续的电源。 以下是一些电源完整性基础知识，可以帮助您平息设计中的电源网络风暴。

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。 许多组件只有一个电源和一个接地引脚。 这些器件非常易于使用，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。 甚至它们的旁路电容器也很容易放置和接线，因为它们位于部件的顶部，并且可以轻松连接到 IC 的引脚 14。 此外，这些组件对供电网络中的微小波动不太敏感，并且它们的信号速度不够快，不会引起问题。 然而，随着当今高速设计中使用的组件，所有这一切都发生了巨大的变化。

必须仔细管理电路板的电源网络 (PDN)，以通过 PCB 为其所有组件提供清洁电源。 设计不具备良好电源完整性的电路板可能存在许多问题，例如电路板高速电路中的串扰电源纹波。 我们将进一步研究不良的电源完整性可能给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电平。 如果它们低于可接受的水平，相关电路可能会出现故障。
  

• 即使电压在设备要求的容差范围内，PDN上的噪声也可能表现为信号上的串扰，从而导致对这些信号的误解。

• PDN噪声可能通过电源网络的平面和连接辐射EMI。

以上情况都会给设计者在测试和调试时带来很大的麻烦。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，我们来探讨一下电源完整性的一些基本知识。组件的布局有利于缩短和直接布线，从而有助于电源完整性。

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差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电力 - 从电源到相关布线和过孔，通过平面和电容器，最后到各个设备。 板上的每个器件都需要严格控制并提供一致的电压，以确保一致稳定的运行。 其中一些设备（例如大引脚数处理器）需要多种不同的电压和比其他组件更高的电流才能运行。 这些组件的要求必须由PDN管理，否则会对电路板上的其他组件产生不利影响。 PCB组装及PCB加工厂家讲解PCB布局中电源完整性的基础知识分析。

地面弹跳

随着高速设计中开关速度的提高，信号的低电平状态可能并不总是返回到参考地电平。 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，最终可能会被误认为是高电平，从而导致数据传输不正确。

电源纹波

SMPS（开关模式电源）的切换将导致电源纹波遍布整个设计。 这些纹波可能会引起串扰、压垮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 将产生 EMI。 EMI不仅会影响板载电路的顺利工作，还会对外部电子设备产生干扰。 EMI还与电路板的电源和地平面的配置密切相关。 这些平面不仅为 PDN 提供电源和接地，还可以起到有效的 EMI 屏蔽作用。 平面配置中还必须考虑屏蔽。

信号返回路径

尽管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予以考虑。 高密度组件将具有许多用于信号、电源和接地连接的过孔，但这些过孔将阻塞参考平面上的清晰返回路径。 此外，一些电源要求可能会导致设计者将平面分开。 然而，这些分离可能会影响高速信号的清晰返回路径，从而产生更多的 EMI，因此必须仔细设计。

现在我们已经了解了一些基本的电源完整性问题，接下来让我们看看 PCB 布局最佳实践和有助于防止这些问题的电源完整性基础知识。

PCB分布

在 PCB 布局设计中，以下是一些需要密切关注的领域，以避免我们一直在讨论的一些电源完整性问题。

分层堆叠配置

电路板的PDN与电路板堆叠中的层配置密切相关。 必须策略性地放置接地层，以便为敏感信号路由提供微带线和带状线层配置。 这些层将提供所需的清晰信号返回路径并提供 EMI 屏蔽。 布置平面图以确保所有电力都输送到每个组件也很重要。 这可能需要针对不同的电压分割电源层。 通过首先制定设计计划，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，以确保组件接收所需的功率。 这将防止地面炸弹误触发敏感信号。 这意味着添加多个旁路电容器来稳定 PDN，以满足处理器和其他功耗组件的需求。 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。 对于电源来说，将组件放置在电路板的同一侧也很重要，因为短而直接的布线是必要的。