PCB设计之电源完整性

电源完整性（Power Integrity）指电路系统中的电源和地的稳定性。在高速电路中，开关器件数目不断增加，核心电压不断减小，电源波动可能造成电路无法正常工作，因此保持电源完整性是电路设计稳定的重要条件。硬件工程师在考虑降低功耗的同时，也造成同种芯片具有越来越多的驱动电压（有些芯片具有三种以上工作电压），某些器件还特别对各种电压的上电顺序有严格的要求，这样对PCB工程师的布线技术要求更加严格。

产生电源噪声的主要原因有：高速器件开关状态变化，产生瞬变交变电流过大，造成电源波动；回流路径上存在电感，产生谐振及边缘效应。

理论上电源是恒定不变的，任何一点的电位都相同，等于系统提供的电压。事实上，电源存在噪声，噪声过大就会影响系统正常工作。理想电源与实际电源曲线所示。

由于开关噪声造成电压波动，器件的参考地不再保持零电平，这样驱动端发出的低电平会出现相应的噪声波形，相位和地面噪声相同，发出的信号下降沿变缓。而在接收端，接收信号受到同样的噪声干扰，但干扰波形和地噪声相位相反。在高速数字电路中，可因为电源、地的噪声造成门电路数据意外翻转，工作状态发生变化。

在电路板上，电源平面与地平面可以看成是由许多电感和电容组成的，在一定频率下，电容和电感发生谐振，影响电源阻抗。随着频率的增加，电源阻抗也随之增加。

在多层板PCB设计中，为了保证电源完整性，至少应有一个完整的电源平面和完整的地平面，且相邻层间距尽量小。相邻平面避免电源叠加，每个电源尽量有地层相邻。平面层的隔离宽度要考虑不同电源之间的电位差，电位差大于1 2V时，分隔宽度为50mil，否则可选20milo电源要比地层内缩20H，避免电源平面边缘对外产生电磁骚扰，减轻电磁辐射。

平面分隔要考虑高速信号回流路径的完整性。如果电源种类太多，不容易分割，多层板可以考虑利用一些走线层处理电源，即在走线层铺些散电源，减少电源层的分割种类。对于BGA电源种类较多，过孔也较多，电源不容易处理的，可以考虑在不同电源层面叠加铺铜，增大铺铜面积，提高通流能力。

电源平面铺铜时要注意，在满足通流能力的基础上，尽量减少电源面积，不要铺到没有电源的区域。如果一层中只有少部分电源，其他区域可做铺地处理。

PCB板上电源设计还应考虑LDO、MOSFET管、DC-DC电源等大功率元件，以及电源插接件时通流能力，在电源入口处增大铺铜面积，且在铺铜上多打些过孔增大散热面积。

上、下电是电源应用中两个关键的时刻，大部分的电源失效也发生在这两个时刻。解决的方法主要是增加上电时的缓启动电路和下电时的放电电路，以保证上电时电源输出得到有效控制，同时又保证电源和应周电路中的器件承受的电应力都在可靠的范围内。

为使电源能在各种恶劣环境下可靠地工作，应在设计时加入多种保护电路，如防浪涌冲击、欠电压、过载、短路、过热等保护电路。

集成电路芯片(IC)偏置和驱动的电源电压越小，电源的稳定性越好，产生的噪声越小。

从IC电源管脚吸纳的电流主要取决于该电压值以及该IC芯片输出级驱动的传输线（线和地间返回路径）阻抗。

在DC-DC变换器中输出纹波可以控制在lOmV，优于电压型控制的常规电源。

5V电源电压的IC芯片驱动50Q传输线时，吸纳的电流为lOOmA;3.3V电源电压的IC芯片驱动同样的50Q传输线时，吸纳电流将减小到66mA;1.8V电源电压的IC芯片驱动同样的50Q传输线时，吸纳电流将减小到36mA o由此可见，在公式U=/d//dt中，驱动电流从lOOmA减少到36mA可以有效地降低电压的瞬变电压，因而也就降低了电磁干扰(EMI)o低压差分信号器件( LVDS)的信号电压摆幅仅有几百毫伏，这样的器件技术对EMI的改善将非常明显。

去耦电容也是解决电源纹波的有效方法，PCB设计工程师需要在PCB板上安装数值在O.OOl～O.lIiF之间的去耦电容，且紧邻电源引脚oIC葑装内部的小电容可以抑制输出波形中的高频成分，这些高频成分是EMI的最主要来源。