电源完整性与接地设计课件.ppt

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1、SignalIntegrity、EMC&HighSpeedPCBDesignPart4电源完整性与接地设计1PCB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

2、分类器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大：同步开关噪声（SSN）或Δi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PI问题：电源、地问题同步开关噪声SSN的起因减小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（Di

3、rectChipAttach,芯片直接贴装）技术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。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

4、，发生谐振的频率也就定下来了。电源层与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。边缘效应线路板边缘的一些问题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

5、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(POWERBUS)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

6、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0.05Ω，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：3.3-2.6×0.05-1.6×0.05-0.8×0.05=3.01V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

7、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3.3-0.4×0.05=3.28V(仍假定各段导线电阻为0.05Ω)，要比悬挂式总线高了许多两种电源