PCB板中电源完整性问题的优化设计

一、引言

随着PCB设计复杂度的逐步提高，对于信号完整性的分析除了反射，串扰以及EMI之外，稳定可靠的电源供应也成为设计者们重点研究的方向之一。尤其当开关器件数目不断增加，核心电压不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命的影响，于是人们提出了新的名词：电源完整性，简称PI（powerintegrity）。当今国际市场上，IC设计比较发达，但电源完整性设计还是一个薄弱的环节。因此本文提出了PCB板中电源完整性问题的产生，分析了影响电源完整性的因素并提出了解决PCB板中电源完整性问题的优化方法与经验设计，具有较强的理论分析与实际工程应用价值。

二、电源噪声的起因及分析

对于电源噪声的起因我们通过一个与非门电路图进行分析。图1中的电路图为一个三输入与非门的结构图，因为与非门属于数字器件，它是通过“1”和“0”电平的切换来工作的。随着IC技术的不断提高，数字器件的切换速度也越来越快，这就引进了更多的高频分量，同时回路中的电感在高频下就很容易引起电源波动。如在图1中，当与非门输入全为高电平时，电路中的三极管导通，电路瞬间短路，电源向电容充电，同时流入地线。此时由于电源线和地线上存在寄生电感，我们由公式V=LdI/dt可知，这将在电源线和地线上产生电压波动，如图2中所示的电平上升沿所引入的ΔI噪声。当与非门输入为低电平时，此时电容放电，将在地线上产生较大的ΔI噪声;而电源此时只有电路的瞬间短路所引起的电流突变，由于不存在向电容充电而使电流突变相对于上升沿来说要小。从对与非门的电路进行分析我们知道，造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大;

二是电流回路上存在的电感。所谓地电源完整性问题是指在高速PCB中，当大量的芯片同时开启或关闭时，在电路中就会产生较大的瞬态电流，同时由于电源线和地线上电感电阻的存在，就会在两者之上产生电压波动。了解到电源完整性问题的本质，我们知道，要解决电源完整性问题，首先对于高速器件来说，我们通过加去耦电容来去掉它的高频噪声分量，这样就减少信号的瞬变时间;对于回路中所存在的电感来说，我们则要从电源的分层设计来考虑。

三、去耦电容的应用

在高速PCB设计中，去耦电容起着重要的作用，它的放置位置也很重要。这是因为在电源向负载短时间供电中，电容中的存储电荷可防止电压下降，如电容放置位置不恰当可使线阻抗过大，影响供电。同时电容在器件的高速切换时可滤除高频噪声。我们在高速PCB设计中，一般在电源的输出端和芯片的电源输入端各加一个去耦电容，其中靠近电源端的电容值一般较大（如10μF），这是因为PCB中我们一般用的是直流电源，为了滤除电源噪声电容的谐振频率可以相对较低;同时大电容可以确保电源输出的稳定性。对于芯片接电源的引脚处所加的去耦电容来说，其电容值一般较小（如0.1μF），这是因为在高速芯片中，噪声频率一般都比较高，这就要求所加去耦电容的谐振频率要高，即去耦电容的容值要小。

对于去耦电容的放置，我们知道，如果位置不当的话会增大线路阻抗，降低其谐振频率同时影响供电。对于去耦电容和芯片或电源中的电感，我们可以通过公式：求出，在公式中，l：电容与芯片间的线长;r：线半径;d：电源线与地之间的距离;

由此我们知道，要减少电感L，则必须减少l和d，即减少去耦电容和芯片所形成的环路面积，也就是要求电容与芯片尽可能靠近芯片器件。

四、电源回路的设计

要保证电源完整性，我们知道，良好的电源分配网络是必不可少的。首先对电源线和地线的设计，我们要保证线宽加粗（如宽为40mil，而普通信号线为10mil），这样才能尽可能地减少其阻抗值。随着芯片的速度越来越高，根据5/5规则，我们越来越多地使用多层板，通过专用的电源层进行供电和专用的地层构成回路，这样就减少了线路的电感。