高速PCB中電源完整性的設計

中心議題：

* 電源噪聲的起因及分析

* 去耦電容的應用

* 電源回路的設計

解決方案：

* 電源的分層設計來考慮

* 電容與芯片盡可能靠近芯片器件
* 利用電源層和地層作為回路，減少了返回環路面積

一、引言

隨著PCB設計復雜度的逐步提高，對于信號完整性的分析除了反射，串擾以及EMI之外，穩定可靠的電源供應也成為設計者們重點研究的方向之一。尤其當開關器件數目不斷增加，核心電壓不斷減小的時候，電源的波動往往會給系統帶來致命的影響，于是人們提出了新的名詞：電源完整性，簡稱PI（powerintegrity）。當今國際市場上，IC設計比較發達，但電源完整性設計還是一個薄弱的環節。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產生，分析了影響電源完整性的因素并提出了解決PCB板中電源完整性問題的優化方法與經驗設計，具有較強的理論分析與實際工程應用價值。

二、電源噪聲的起因及分析

對于電源噪聲的起因我們通過一個與非門電路圖進行分析。圖1中的電路圖為一個三輸入與非門的結構圖，因為與非門屬于數字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技術的不斷提高，數字器件的切換速度也越來越快，這就引進了更多的高頻分量，同時回路中的電感在高頻下就很容易引起電源波動。如在圖1中，當與非門輸入全為高電平時，電路中的三極管導通，電路瞬間短路，電源向電容充電，同時流入地線。此時由于電源線和地線上存在寄生電感，我們由公式V=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產生電壓波動，如圖2中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當與非門輸入為低電平時，此時電容放電，將在地線上產生較大的ΔI噪聲;而電源此時只有電路的瞬間短路所引起的電流突變，由于不存在向電容充電而使電流突變相對于上升沿來說要小。從對與非門的電路進行分析我們知道，造成電源不穩定的根源主要在于兩個方面：一是器件高速開關狀態下，瞬態的交變電流過大;