PCB布局中電源完整性的基礎知識

多年來，PCB layout 工程師都是這樣處理電源和接地的——只要電路板有 VCC 和地平面，只需在其中打通孔即可獲得持續供電。 然而，對于今天的高速設計來說，事實卻大不相同。

電路板中的電源可能不是平靜如畫的湖泊，而是像暴風雨一樣的噩夢，充滿了漣漪和波浪，威脅著淹沒小船。 高速電路所需的元件需要大量的功率，這會產生尖峰信號，威脅電路板上其他元件的平穩運行。 為了實現電路板的最佳性能，必須管理水的完整性，以便電路板能夠為其所有需求提供平衡且連續的電源。 以下是一些電源完整性基礎知識，可以幫助您平息設計中的電源網絡風暴。

由于電源完整性缺陷導致的電路板問題

曾幾何時，電路板組件非常簡單。 許多組件只有一個電源和一個接地引腳。 這些器件非常易于使用，尤其是通孔版本，因為它們可以輕松連接到電路板的 VCC 和接地層。 甚至它們的旁路電容器也很容易放置和接線，因為它們位于部件的頂部，并且可以輕松連接到 IC 的引腳 14。 此外，這些組件對供電網絡中的微小波動不太敏感，并且它們的信號速度不夠快，不會引起問題。 然而，隨著當今高速設計中使用的組件，所有這一切都發生了巨大的變化。

必須仔細管理電路板的電源網絡 (PDN)，以通過 PCB 為其所有組件提供清潔電源。 設計不具備良好電源完整性的電路板可能存在許多問題，例如電路板高速電路中的串擾電源紋波。 我們將進一步研究不良的電源完整性可能給電路板帶來的不同類型的問題。 但首先，讓我們看看這些問題的結果：

• PDN 中的過多噪聲會影響組件所需的電壓電平。 如果它們低于可接受的水平，相關電路可能會出現故障。
  

• 即使電壓在設備要求的容差范圍內，PDN上的噪聲也可能表現為信號上的串擾，從而導致對這些信號的誤解。

• PDN噪聲可能通過電源網絡的平面和連接輻射EMI。

以上情況都會給設計者在測試和調試時帶來很大的麻煩。顯然，PCB 設計中良好的電源完整性對于設計的成功至關重要。 因此，我們來探討一下電源完整性的一些基本知識。組件的布局有利于縮短和直接布線，從而有助于電源完整性。

值得注意的電源完整性基礎

電路板中良好的電源完整性意味著其電源傳輸網絡旨在提供穩定的電壓參考，并在可接受的噪聲和容差范圍內將電源分配給所有電路板組件。 PDN 必須能夠在整個系統中均勻分配電力 - 從電源到相關布線和過孔，通過平面和電容器，最后到各個設備。 板上的每個器件都需要嚴格控制并提供一致的電壓，以確保一致穩定的運行。 其中一些設備（例如大引腳數處理器）需要多種不同的電壓和比其他組件更高的電流才能運行。 這些組件的要求必須由PDN管理，否則會對電路板上的其他組件產生不利影響。 PCB組裝及PCB加工廠家講解PCB布局中電源完整性的基礎知識分析。

地面彈跳

隨著高速設計中開關速度的提高，信號的低電平狀態可能并不總是返回到參考地電平。 這種接地反彈也稱為同步開關噪聲或 SSN。 隨著信號的低電平向上漂移，最終可能會被誤認為是高電平，從而導致數據傳輸不正確。

電源紋波

SMPS（開關模式電源）的切換將導致電源紋波遍布整個設計。 這些紋波可能會引起串擾、壓垮并干擾附近電路的運行。

電磁干擾

如果設計不正確，在開關狀態之間切換 SMPS 將產生 EMI。 EMI不僅會影響板載電路的順利工作，還會對外部電子設備產生干擾。 EMI還與電路板的電源和地平面的配置密切相關。 這些平面不僅為 PDN 提供電源和接地，還可以起到有效的 EMI 屏蔽作用。 平面配置中還必須考慮屏蔽。

信號返回路徑

盡管清晰的信號返回路徑是創建良好信號完整性的一部分，但參考平面是電路板 PDN 系統的一部分，在設計電源完整性時必須予以考慮。 高密度組件將具有許多用于信號、電源和接地連接的過孔，但這些過孔將阻塞參考平面上的清晰返回路徑。 此外，一些電源要求可能會導致設計者將平面分開。 然而，這些分離可能會影響高速信號的清晰返回路徑，從而產生更多的 EMI，因此必須仔細設計。

現在我們已經了解了一些基本的電源完整性問題，接下來讓我們看看 PCB 布局最佳實踐和有助于防止這些問題的電源完整性基礎知識。

PCB分布

在 PCB 布局設計中，以下是一些需要密切關注的領域，以避免我們一直在討論的一些電源完整性問題。

分層堆疊配置

電路板的PDN與電路板堆疊中的層配置密切相關。 必須策略性地放置接地層，以便為敏感信號路由提供微帶線和帶狀線層配置。 這些層將提供所需的清晰信號返回路徑并提供 EMI 屏蔽。 布置平面圖以確保所有電力都輸送到每個組件也很重要。 這可能需要針對不同的電壓分割電源層。 通過首先制定設計計劃，您將更好地了解不同的功能分區并相應地配置您的PDN。

元件放置

必須在 PDN 中仔細管理參考電壓，以確保組件接收所需的功率。 這將防止地面炸彈誤觸發敏感信號。 這意味著添加多個旁路電容器來穩定 PDN，以滿足處理器和其他功耗組件的需求。 您需要將這些電容器盡可能靠近它們所連接的電源引腳放置。 對于電源來說，將組件放置在電路板的同一側也很重要，因為短而直接的布線是必要的。