PCB設(shè)計(jì)：如何設(shè)計(jì)出合格的PDS

在電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)中，我們?cè)谧非螽a(chǎn)品功能以及成本的優(yōu)化時(shí)，往往我們會(huì)忽略使用去耦的目的，僅僅知道在電路板上分散大小不同的許多電容，使較低阻抗電源連接到地。但問題依舊：需要多少電容？許多相關(guān)文獻(xiàn)表明，必須使用大小不同的許多電容來降低功率傳輸系統(tǒng)（PDS）的阻抗，但這并不完全正確。相反，僅需選擇正確大小和正確種類的電容就能降低PDS阻抗。

考慮設(shè)計(jì)一個(gè)10 mΩ參考層，如圖1所示。如紅色曲線所示，系統(tǒng)電路板上使用許多不同值的電容，0.001 μF、0.01 μF、0.1 μF等等。這當(dāng)然可以降低500 MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗，但是，請(qǐng)看綠色曲線，同樣的設(shè)計(jì)僅使用0.1 μF和10 μF電容。這證明，如果使用正確的電容，則不需要如此多的電容。這也有助于節(jié)省空間和物料（BOM）成本。

圖1. 電容示例

????注意，并非所有電容“生而平等”，即使同一供應(yīng)商，工藝、尺寸和樣式也有差別。如果未使用正確的電容，不論是多個(gè)電容還是幾個(gè)不同類型，都會(huì)給PDS帶來反作用。結(jié)果可能是形成電感環(huán)路。電容放置不當(dāng)或者使用不同工藝和型號(hào)的電容（因而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的頻率做出不同響應(yīng)），彼此之間可能會(huì)發(fā)生諧振，見圖2。

圖2. 諧振電容

所以，了解系統(tǒng)所用電容類型的頻率響應(yīng)很重要。隨便選用電容，會(huì)讓設(shè)計(jì)低阻抗PDS系統(tǒng)的努力付之東流。

如何設(shè)計(jì)出合格的PDS

????要設(shè)計(jì)出合格的PDS，需要使用各種電容（見圖1）。PCB上使用的典型電容值只能將直流或接近直流頻率至約500 MHz范圍的阻抗降低。高于500 MHz頻率時(shí)，電容取決于PCB形成的內(nèi)部電容。注意，電源層和接地層緊密疊置會(huì)有幫助。

? ? 應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)支持較大層電容的PCB層疊結(jié)構(gòu)。例如，六層堆疊可能包含頂部信號(hào)層、第一接地層、第一電源層、第二電源層、第二接地層和底部信號(hào)層。規(guī)定第一接地層和第一電源層在層疊結(jié)構(gòu)中彼此靠近，這兩層間距為2到4密爾，形成一個(gè)固有高頻層電容。此電容的最大優(yōu)點(diǎn)是它是免費(fèi)的，只需在PCB制造筆記中注明。如果必須分割電源層，同一層上有多個(gè)VDD電源軌，則應(yīng)使用盡可能大的電源層。不要留下空洞，同時(shí)應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD層的電容最大。

如果設(shè)計(jì)允許存在額外的層（上例中，從六層變?yōu)榘藢樱?，則應(yīng)將兩個(gè)額外的接地層放在第一和第二電源層之間。在核心間距同樣為2到3密爾的情況下，此時(shí)層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將加倍，示例見圖3。

圖3. 高頻層電容示例

與添加更多分立高頻電容以在高頻時(shí)保持低阻抗相比，此結(jié)構(gòu)更易于設(shè)計(jì)。

????PDS的任務(wù)是將響應(yīng)電源電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低，這點(diǎn)很重要但常被忽略。所有電路都需要電流，有些電路需求量較大，有些電路則需要以較快的速率提供電流。采用充分去耦的低阻抗電源層或接地層以及良好的PCB層疊，有助于將因電路的電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。例如，根據(jù)所用的去耦策略，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開關(guān)電流為1 A，PDS的阻抗為10 mΩ，則最大電壓紋波為10 mV。計(jì)算很簡(jiǎn)單：V = IR。

憑借完美的PCB堆疊，可覆蓋高頻范圍，同時(shí)在電源層起始入口點(diǎn)和高功率或浪涌電流器件周圍使用傳統(tǒng)去耦，可覆蓋低頻范圍(<500 MHz)。這可確保PDS阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均最低。沒有必要各處都配置電容；電容正對(duì)著每個(gè)IC放置會(huì)破壞許多制造規(guī)則。如果需要這種嚴(yán)厲的措施，則說明電路存在其它問題。Got it？

在高度集成的電子產(chǎn)品中，電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)占到了設(shè)計(jì)工作量的50%左右;對(duì)于復(fù)雜的FPGA類型的產(chǎn)品應(yīng)用，在電路中常常會(huì)達(dá)到15～30路不同的電源。

電源完整性的目的就是給系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定、干凈的電源，保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。在數(shù)字系統(tǒng)中，使信號(hào)完整性滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也需要有一個(gè)非常穩(wěn)定的電源系統(tǒng)，但是又不能使電源系統(tǒng)超標(biāo)。所以在設(shè)計(jì)電源完整性時(shí)，不僅僅關(guān)注的是去耦電容，還需要關(guān)注電源完整性、信號(hào)完整性和電磁兼容性這個(gè)“生態(tài)系統(tǒng)”，尤其是要考慮高度集成化的數(shù)字電路對(duì)電源完整性的影響… …

但是傳統(tǒng)分析信號(hào)完整性和電源完整性都是分開分析的，為了更好的分析SI和PI的相互影響，我們需要把SI和PI放在同一個(gè)EM仿真中來分析。

PDN

真實(shí)的PDN是什么樣子的呢？主要分為三個(gè)部分：供電端（VRM）、用電端（Sink）和傳輸通道（PCB、Cable、瓷片電容等等）。

電路板設(shè)計(jì)中，都有電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用就是給系統(tǒng)內(nèi)所有器件或芯片提供足夠的電源，并滿足系統(tǒng)對(duì)電源穩(wěn)定性的要求。

我們看到電源、GND網(wǎng)絡(luò)，其實(shí)分布著阻抗。

電源噪聲余量計(jì)算：

1、芯片的datasheet會(huì)給一個(gè)規(guī)范值，通常是5%；要考慮到穩(wěn)壓芯片直流輸出誤差，一般是+/_2.5%，因此電源噪聲峰值幅度不超過+/_2.5%。

2、如芯片的工作電壓范圍是3.13~3.47，穩(wěn)壓芯片標(biāo)出輸出電壓是3.3V，安裝在電路板后的輸出電壓是3.36V。容許的電壓的變化范圍是3.47-3.36=110mv。穩(wěn)壓芯片輸出精度是+/_1%，及3.36* +/_1%=+/_33.6mv。電源噪聲余量為110-33.6=76.4mv。

計(jì)算電源噪聲要注意五點(diǎn)

（1）穩(wěn)壓芯片的輸出的精確值是多少。

（2）工作環(huán)境的是否是穩(wěn)壓芯片所推薦的環(huán)境。

（3）負(fù)載情況是怎么樣，這對(duì)穩(wěn)壓芯片輸出也有影響。

（4）電源噪聲最終會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量。而信號(hào)上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射竄擾等信號(hào)完整性問題也會(huì)在信號(hào)上疊加，因此不能把所有噪聲余量留給電源系統(tǒng)。

（5）不同的電壓等級(jí)對(duì)電源噪聲要求也不樣，電壓越小噪聲余量越小。模擬電路對(duì)電源要求更高。

電源噪聲來源

（1）穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不是恒定的，會(huì)有一定的紋波。

（2）穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源響應(yīng)的頻率一般在200Khz以內(nèi)，能做正確的響應(yīng)，超過了這個(gè)頻率則在電源的輸出短引腳處出現(xiàn)電壓跌落。

（3）負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗產(chǎn)生的壓降。

（4）外部的干擾。

目標(biāo)阻抗

目標(biāo)阻抗是電源系統(tǒng)的瞬態(tài)阻抗，對(duì)快速變化的電流的表現(xiàn)出來的一種特性阻抗。目標(biāo)阻抗和一定寬度的頻率有關(guān)，在感興趣的頻率范圍內(nèi)，電源阻抗都不能超過這個(gè)值。

目標(biāo)阻抗公式

去耦的電源電壓，ripple為允許的電壓波動(dòng)范圍，典型值為2.5%，△Imax為負(fù)載芯片最大瞬態(tài)電流變化量。

在進(jìn)行電源完整性設(shè)計(jì)、分析和仿真的時(shí)候都會(huì)涉及到一個(gè)非常重要的概念，就是目標(biāo)阻抗？但是目標(biāo)阻抗真的是很多工程師認(rèn)為的那么簡(jiǎn)單嗎？

在真實(shí)的電源系統(tǒng)中，電容已經(jīng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容，而是包含了ESR、ESL的寄生參數(shù)。它們有串聯(lián)等效的作用，也有并聯(lián)等效的作用，呈現(xiàn)出來的結(jié)果都是不相同的。

PDN阻抗隨著頻率而變化，不同的VRM也會(huì)導(dǎo)致阻抗曲線變化，好的VRM會(huì)使整條PDN阻抗曲線非常平滑。

信號(hào)的頻譜含量范圍很廣，并且隨著傳輸數(shù)據(jù)而不斷變化，在這種情況下，我們確實(shí)需要關(guān)注阻抗較高的頻率上的強(qiáng)制響應(yīng)，確保這個(gè)響應(yīng)不要產(chǎn)生影響芯片與芯片之間通信的PDN噪聲。

阻抗曲線都在目標(biāo)阻抗以下都沒問題了嗎?如果存在多個(gè)不超過目標(biāo)阻抗的巨大的反諧振點(diǎn)是否可以呢？

在電路設(shè)計(jì)時(shí)，通常會(huì)在電路板上放置非常多的電容，那這些電容如何選型？如何搭配？如何放置？這是每一位工程師都會(huì)遇到的情況。

選擇電容

用一個(gè)電容組合的例子。這個(gè)組合使用的電容為：2個(gè)680uf鉭電容，7個(gè)2.2uf陶瓷電容（0805封裝），13個(gè)0.22uf陶瓷電容（0603封裝），26個(gè)0.022uf陶瓷電容（0402）。圖中上部平坦的曲線是680uf電容的阻抗曲線，其它三個(gè)容值的曲線為為圖中三個(gè)V字曲線，從左到右2.2uf →0.22uf → 0.022uf。總的阻抗曲線為底部粗包路線。

這個(gè)組合實(shí)現(xiàn)了在500K到150M范圍內(nèi)保持阻抗在33毫歐以下，到500M處，阻抗上升到110毫歐，從圖中看反諧振點(diǎn)控制的很低。