PCB电源供电系统设计指南

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直流IR压降

由于芯片的电源栅格(Power Grid)的特征尺寸很小(几微米甚至更小)，芯片内的电阻损耗严重，因此芯片内的IR压降已经被广泛地研究。而在下面几种情况下，PCB上的IR压降(在几十到几百毫伏的范围内)对高速系统设计同样会有较大的影响。

电源板层上有Swiss-Chess结构、Neck-Down结构和动态布线造成的板平面被分割等情况(图1)；电源板层上电流通过的器件管脚、过孔、焊球、C4凸点的数量不够，电源平板厚度不足，电流通路不均衡等；系统设计需要低电压、大电流，又有较紧的电压浮动的范围。

图3：包括和不包括电源整流模块的平板对输入阻抗。

例如，一个高密度和高管脚数的器件由于有大量的过孔和反焊盘，在芯片封装结构及PCB的电源分配层上往往会形成所谓的Swiss-Chess结构效应。Swiss-Chess结构会产生很多高阻性的微小金属区域。根据，由于电源供电系统中有这样的高阻电流通路，送到PCB上元器件的电压或电流有可能会低于设计要求。因此一个好的直流IR压降仿真模拟是估计电源供电系统允许压降范围的关键。通过各种各样可能性的分析为布局布线前后提供设计方案或规则。

布线工程师、系统工程师、信号完整性工程师和电源设计工程师还可以将IR压降分析结合在约束管理器(constraint manager)中，作为对PCB上每一个电源和地网表进行设计规则核查的最终检验工具(DRC)。这种通过自动化软件分析的设计流程可以避免靠目测，甚至经验所不能发现的复杂电源供电系统结构上的布局布线问题。图2展示了IR压降分析可以准确地指出一高性能PCB上电源供电系统中关键电压电流的分布。

交流电源地阻抗分析

很多人知道一对金属板构成一个平板电容器，于是认为电源板层的特性就是提供平板电容以确保供电电压的稳定。在频率较低，信号波长远远大于平板尺寸时，电源板层与地板的确构成了一个电容。

然而，当频率升高时，电源板层的特性开始变得复杂了。更确切地说，一对平板构成了一个平板传输线系统。电源与地之间的噪声，或与之对应的电磁场遵循传输线原理在板之间传播。当噪声信号传播到平板的边缘时，一部分高频能量会辐射出去，但更大一部分能量会反射回去。来自平板不同边界的多重反射构成了PCB中的谐振现象。

图4：三种设置情况下 PowerSI计算得到的PCB输入阻抗曲线。(a)不包含电源整流模块；(b)包含电源整流模块；(c)包含电源整流模块和一些去耦电容。

在交流分析中，PCB的电源地阻抗谐振是个特有的现象。图3展示了一对电源板层的输入阻抗。为了比较，图中还画了一个纯电容和一个纯电感的阻抗特性。板的尺寸是30cm×20cm，板间间距是100um，填充介质是FR4材料。板上的电源整流模块用一个3nH的电感来代替。显示纯电容阻抗特性的是一个20nF的电容。从图上可以看出，在板上没有电源整流模块时，在几十兆的频率范围内，平板的阻抗特性(红线)和电容(蓝线)一样。在100MHz以上，平板的阻抗特性呈感性(沿着绿线)。到了几百兆的频率范围后，几个谐振峰的出现显示了平板的谐振特性，这时平板就不再是纯感性的了。

至此，很明显，一个低阻的电源供电系统(从直流到交流)是获得低电压波动的关键：减少电感作用，增加电容作用，消除或降低那些谐振峰是设计目标。

为了降低电源供电系统的阻抗，应遵循以下一些设计准则：

1. 降低电源和地板层之间的间距；

2. 增大平板的尺寸；

3. 提高填充介质的介电常数；

4. 采用多对电源和地板层。

然而，由于制造或一些其他的设计考虑，设计工程师还需要用一些较为灵活的有效的方法来改变电源供电系统的阻抗。为了减小阻抗并且消除那些谐振峰，在PCB上放置分立的去耦电容便成为常用的方法。

图4显示了在三种不同设置下，用Sigrity PowerSI计算得到的电源供电系统的输入阻抗：

a. 没有电源整流模块，没有去耦电容放置在板上。

b. 电源整流模块用短路来模拟，没有去耦电容放置在板上。

c. 电源整流模块用短路来模拟，去耦电容放置在板上。

从图中可见，例子a蓝线，在集成电路芯片的位置处观测到的电源供电系统的输入阻抗在低频时呈现出容性。随着频率的增加，第一个自然谐振峰出现在800MHz的频率处。此频率的波长正对应了电源地平板的尺寸。

例子b的绿线，输入阻抗在低频时呈现出感性。这正好对应了从集成电路芯片的位置到电源整流模块处的环路电感。这个环路电感和平板电容一起引入了在200MHz的谐振峰。

例子c的红线，在板上放置了一些去耦电容后，那个200MHz的谐振峰被移到了很低的频率处(<20MHz)，并且谐振峰的峰值也降低了很多。第一个较强的谐振峰则出现在大约1GHz处。由此可见，通过在PCB上放置分立的去耦电容，电源供电系统在主要的工作频率范围内可以实现较低的并且是平滑的交流阻抗响应。因此，电源供电系统的噪声也会很低。