电源性与接地设计4.ppt
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1、Signal Integrity、EMC&High Speed PCB DesignPart4 电源完整性与接地设计12PCB的电源完整性设计电源完整性问题概述电源系统波动原因同步开关噪声芯片内开关噪声及抑制方法芯片外开关噪声(地弹)及抑制办法电源分配设计PCB的回流设计回流类型分割电源平面与EMI仿真3电源完整性问题电源完整性(PI)是指系统运行过程中电源的波动情况,或者说电源波形的质量。背景开关器件数目不断增加,芯片工作电压不断减小,电源的波动会给系统带来致命的影响。信号速度加快,电源线因耦合电感而承受不小的压降。PI质量也直接影响最终PCB的信号完整性和EMC。电源波动的原因及分类器件高
2、速开关状态下,瞬态的交变电流过大:同步开关噪声(SSN)或i噪声,地弹也可归为此类电路回路上存在的电感:非理想电源阻抗影响(包括电源内阻)谐振及边缘效应4PI问题:电源、地问题5同步开关噪声SSN的起因6减小SSN的措施芯片设计时要考虑信号/电源/地的数量比,参考值为4:1:1FPGA设计时可参考 做好芯片的封装设计,特别是处理好芯片内的电源、地,电源和地的引脚引线要尽量短电源和地应平均分布,并尽量靠近 芯片内最好有耦合电容,单板上也要有合理的滤波方案。使用电源平面和地平面,并让电源平面和地平面尽量相互靠近 尽量选择弱输出驱动能力的驱动器连接器的收发信号分开DCA(Direct Chip At
3、tach,芯片直接贴装)技术7电源层与地线层的谐振控制电源平面与地平面间谐振的抑制采用LC等效电路,不考虑PCB上的损耗,而这些损耗往往在高频影响尤为明显,例如趋肤效应引起的传输线损耗、PCB介质损耗。同时LC集总参数模型的建立是基于单频点的,它也只能适用于单频点,无法提供宽频段的信息。所以这种“路”的等效模型只能用于部分100MHz以下的PCB设计分析。8电源层与地线层的谐振控制微带线中传输模的特性与TEM波相差很小,故称为准TEM波电场强度E与磁场强度H均与PCB厚度无关,而仅与x,y位置相关。一旦PCB的电源与地层的形状、距离以及中间介质定下来以后,发生谐振的频率也就定下来了。9电源层与
4、地线层的谐振控制电源或者地平面的分割也会产生谐振,影响电源网络的稳定性。谐振使得电源网络的阻抗产生了波动,导致电源网络的电压产生波动。去耦网络的设计可以使用Pspice,也可以使用厂家提供的数据,例如MLCC提供一个简单的器件仿真器。为了保持平稳的总阻抗值,防止出现反谐振尖峰,通常,每10倍电容值范围需要至少1个电容。10边缘效应线路板边缘的一些问题11电源分配系统设计电源分配系统,其作用是给系统内的所有器件足够的电源,这些器件不但需要足够的功率消耗,同时对电源的平稳性也有一定的要求电源之所以波动,就是因为实际的电源平面总是存在阻抗,这样在瞬间电流通过时,就会产生一定的电压降和电压摆动,故需要
5、对电源的阻抗进行控制:采用电阻率低的材料,如铜采用较厚、较粗的电源线,并尽可能减少长度尽量降低接触电阻尽量减小电源内阻电源尽量靠近地合理使用去耦电容12电源分配系统设计电源线的合理布局设计高速PCB板的关键之一就是要尽可能的减小由于线路阻抗引起的压降和高频电磁场转换而引入的各种噪声。通常用两种方法来解决上述问题。电源总线技术(POWER BUS)采用一个单独的电源层进行供电电源层在很大程度上缓解了压降和噪声的问题13电源线的合理布局采用电源总线技术,各个元器件悬挂在电源总线上,所以又称之为悬挂式总线电源总线的宽度通常比普通的信号线要宽,采用总线技术后,虽然可以减小压降和和噪声的问题,但它们仍然
6、存在的。假设电源电压为3.3V,OA,AB,BC,CD,BE,AF各段导线的电阻为0.05,PCB板上的每个元器件的扇出或吸入电流为200mA则IOA=2.6A,IAB=1.6A,IBC=ICD0.8A 最后元件9上的电压为:3.3-2.60.05-1.60.05-0.80.05 =3.01V 14电源线的合理布局电源线的合理布局 对电源总线技术进行改进,如图所示,称为电源总线网络法,即让电源总线相互交叉,而把对噪声和压降敏感的元件放在电源线网络的交叉点上,使得每一个元件同时属于几个不同的回路如图中元件6,7就分别属于四个不同的小回路。由于电流可以从网络中的任何一条总线上进来或出去,而且每一个
7、网孔构成了一个回路,这就不仅可以使网络中每条总线上的电流趋于均衡,不会出现悬挂式总线上的各段总线电流大小不一致的问题,因此就可以减小由于线路阻抗引起的压降问题。元件的电流由各网孔分担,每个网孔的电流为400mA。对于元件5,元件9和元件1的电压都比它高,因而电流从元件1和9流向5,从5流出到6。在最坏情况下即元件9和1的电流全部从一端流出进入元件5,则元件5上的电压为3.3-0.40.05=3.28V(仍假定各段导线电阻为0.05),要比悬挂式总线高了许多15两种电源总线技术的对比节点元件电压(V)13.1353.0593.01节点元件电压(V)13.353.2893.316电源分配系统设计电
8、源布局布线的处理应尽量遵循下面一些规则:有条件的情况下,尽量采用单独的电源层和地层进行供电。采用电源网络总线时,网孔越多越好,形成许多嵌套的网孔,同时总线要尽量的宽,以达到均衡电流,降低噪声的目的;电源的走线不能中间细两头粗,以免在上面产生过大的压降。走线不能突然拐弯,拐弯要采用大于90的钝角,最好采用圆弧形走线,电源的过孔要比普通的大一些。有条件的话,在过孔处加滤波电容;对于那些特别容易产生噪声的部分用地线包围起来,以免产生的噪声耦合入电压。17电源分配系统设计阻抗对于电源分配系统的影响理想的电源的阻抗是0,这样可以保证电源端的电压和负载端的电压一致但实际的电源,它具有一定的阻抗,分别以电阻
9、、电感、电容的形式表示,因此噪声将叠加在电源上。设计的目标就是尽可能减小电源分配网络的阻抗,同时尽量滤除噪声。减小电源分配网络的阻抗的方法:尽量使用电源平面,设计好叠层等18电源分配系统设计电源层的分配和分割电源层分配原则:和地层相邻原则,通流能力原则,重要电压优先原则电源层分割原则:考虑不影响重要信号的阻抗,回流;考虑到强干扰信号(时钟)的干扰问题地的分割原则任何一根信号线中的电流都要通过和它临近的地平面回到驱动端,所以进行地的分割的时候要避免割断高速信号的回流路径 19电源分配系统设计电路噪声的滤波滤除噪声的有效方法是使用滤波电容,需要注意的是,理想电容和实际电容的区别,实际电容在除电容因
10、素外还包括了等效串连电感和等效串连电阻实际电容的等效网络的谐振频率是实际电容低于FR的频率呈现容性,而在高于FR的频率上则呈现感性,所以电容更像是一个带阻滤波器,而不是一个低通(阻高频)滤波器20电源分配系统设计电路噪声的滤波电容的种类很多,对应于不同频率和应用场合,低ESL的电容通常是由非铁磁材料制造的,他的容量通常也比较小。更大的电容对于高频的滤波并没有更好的效果。21电容的作用22电容的作用作为系统有低频噪声,也有高频噪声,但任何一种电容都只有有限的有效频率范围,所以需要使用不同类型的电容来达到系统的噪声滤波作用。Bulk Capacitance(大电容)电解电容或大的钽电容,主要用于电
11、源,几个芯片一个 Bulk Capacitor针对的是低频的噪声。主要是针对Ceramic Capacitor无法有效滤除的低频部分。Bulk Capacitor还有一个“功率蓄水池”的作用,放置在高速芯片管脚附近High Frequency Ceramic CapacitanceCeramic Capacitance针对的是Bulk Capacitance无法有效滤除的高频噪声。特别是10M200MHz这个区间。根据材料的不同又分为NPO,X7R,X5R和Y5V几种,根据尺寸又分为1206,0805,0603,0402几种 使用时需要注意选择合适的封装以及合理的Fanout及布局布线,以增加
12、滤波效果。23电容的作用去耦电容设置规则放置在每个集成电路的电源和地之间为集成电路的储能电容旁路掉该器件得高频噪声电源输入端跨接10-100uf的电解电容,大的更好每10片左右的集成电路要加一片充放电电容,或称为储放电容,大小为10uf左右引线式电容适用于低频电路,表贴式电容由于寄生电感小更适用于高频电路每个集成电路芯片都应布置一个0.01uf的陶瓷电容,如空间不够,可以每48个芯片布置一个110uf的胆电容对于抗噪声能力弱、关断时电源变化大的器件,如ram、rom存储器件,应在电源和地线之间接入高频去耦电容24电容的作用去耦电容放置规则电容之间不要共用过孔,可以考虑打多个过孔接电源/地,电容
13、的过孔要尽量靠近焊盘去耦电容的引线不能太长,尤其是高频旁路电容不能带引线。25电容的作用Interplane Embeded Capacitance由于电容固有的ESL以及来自于布线的ESL的原因,对于高于1G的频率,电容已经不起作用了,这时候Interplane Embeded Capacitance对于滤波起主导作用了。电源层和地层距离越近,对高频噪声的滤波就越好26电源分配系统设计例:数模电源设计许多模拟电路工作在低频下,可单点接地。在高速数字电路中,优先使用多点接地。数字地和模拟地要分开底部一点接地提供RF返回路径避免共地干扰在PCB的各层中布线也要数字和模拟分开布线。最后汇聚在电源接
14、地端相连.如果系统有一个A/D转换器,将地分割开,在A/D转换器下面把模拟地和数字地部分用最短的线通过一点连接在一起。采取该方法时,必须保证两个地之间的连接桥宽度与IC等宽,并且任何信号线都不能跨越分割间隙布线。地电流将会形成一个大的环路通过两个地之间的连接桥布线使形成的环路面积很小27例:数模电源设计28电源分配系统设计例:数模电源设计一般建议采用“统一地”地连续,不分割将PCB板分为数字区和模拟区数字信号在数字区内布线模拟信号在模拟区内布线数字信号返回电流不会流入模拟信号的地29模数电路的滤波30PCB的回流设计任何信号的传输都存在一个闭环的回路,当电流从驱动端流入接收端的时候,必然会有一
15、个回流电流通过与之相邻的导体从接收端回流至驱动端,构成一个闭合的环路。环路的大小和EMI的产生有着很大的关系每一个环路都可以等效为一个天线,环路数量或者面积越大,引起的EMI也越强。交流信号会自动选取阻抗最小的路径返回驱动端但实际情况中,特别是在高密度布线的PCB板上,过孔,缝隙等都可能降低参考平面理想的特性,而表现为更复杂的回流形式信号回流的途径是多方面的:参考平面,相邻的走线,介质,甚至空气都可能成为它选择的通道。与信号线耦合最强的将为信号提供最主要的回流途径。31理想信号回流示意图实际情况中的信号回流32信号回流对EMI的影响参考下图可以看到:信号和回流外部区域,由于磁场的极性相反,可以
16、相互抵消,而中间部分是加强的,这也是对外辐射的主要来源。很明显,只要缩短信号和回流之间的距离,就可以更好的抵消外围的电磁场,同时也能降低中间加强部分的面积,大大抑制EMI。33地和回流线的异同关系地:信号基准参考,要求地电位波动小实际印制板中,地电流包括了数字与模拟信号电流以及数字与模拟电源电流,致使地线上的干扰十分严重。乱用地是造成印制板上电磁兼容问题严重的一个根本因素,必须在印制板设计中,将其作为“返回路径”考虑。34减小电源信号回路的面积35减小信号回路的面积36返回路径中参考平面的切换37多层板信号线换层过孔38多层板信号线换层当过孔处有旁路电容的,电流将通过旁路电容形成回路,回路面积
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