电源完整性和信号完整性:PCB中的电源噪声

我有时渴望那些遥远的日子，那时我的电路足够简单，我可以直接插入电源，而不用担心电源传输网络的噪音。无知是福。直到我为光电系统制作了第一块板子，我才意识到pcb中功率和信号完整性的重要性。

随着集成电路工艺达到Gbit/GHz水平，pcb中的电源完整性变得比以往任何时候都更加重要。在电力输送网络中，只需要一个简单的电源和地之间的去耦电容器就可以抑制噪声的日子已经一去不复返了。全面了解电源系统中的噪声可以帮助您识别可能削弱电路板的潜在噪声问题。

直流电源噪声引起的信号完整性问题

许多棘手的信号问题实际上源于电源，因为在电源输出中有过多的纹波。直流电源会产生较大的输出电源信号波动。布局中过多的IR Drop会影响IC器件的正常工作。稳定、干净的电力输送网络(PDN)对于信号的完整性非常重要，PDN为信号提供了返回路径。这些系统还可以产生一个波纹信号，这种信号强到足以导致他们供电的逻辑门由于地面反弹而不自主地开关。

当电路板安装在直流电源附近时，电源本身实际上可以感应噪音在附近的信号痕迹。即使信号走线可以直接在它们的地平面上路由，并呈现一个小的回路区域，直流电源的全波整流中的开关作用和电压变化足以在这些交流走线中诱导显著的噪声信号。这会增加误码率，甚至会导致逻辑电路不由自主地切换。

带全波整流器的直流电源输出的变化来自于在壁式插座单次60hz交流振荡期间的两次充电/放电循环。这种变化可以通过过滤或简单地在电源输出上放置一个巨大的电容器从电源信号中去除。不幸的是，这并不能阻止电源本身发出的场到达敏感的迹线或组件。

在开关电源中，还有另一个噪声源是由内部开关动作引起的。典型的开关电源在输出级使用mosfet来提供快速开关，但由于法拉第定律，具有快速开关的架构实际上会加剧诱导噪声。同样，当所需输出电流增加时，开关诱导噪声信号的强度也会增加。从电源输出中去除开关噪声需要将输出通过滤波器(通常是LC滤波器)。

例如，一个电源在输出级提供5 a直流电流，30 ns上升时间，可以在附近的迹线中诱导电压尖峰达到3-4 V，假设典型情况下，迹线中的寄生电感为10 nH。这足够大，很容易在附近的TTL逻辑电路中引起非自愿切换。

用正确的布局抑制噪声

PCB中的噪声抑制有两种形式:减少或阻断到达迹线和组件的电磁场(辐射EMI)，以及减少用于为这些组件供电的信号中的电源噪声(传导EMI)。最小化输出信号中的噪声只能抑制来自电源平面或电源轨的噪声，但它不能减少来自电源本身的场。

解决第一点需要做出正确的布局选择。电源制造商不建议在靠近电源的PCB上放置敏感元件或走线，除非电源输出功率的变化小于5%。元器件应合理布置，使敏感元器件远离电源。

敏感信号迹线也可以在内层的电源和接地平面之间布线，以保护它们免受电源噪声的影响。您也可以考虑在敏感元件周围使用小的屏蔽罐或网，以阻止来自电源的EMI。

只能从电源信号中去除这么多噪音。一旦电源输出击中你的电源平面和你的剩余部分电力输送网络，电源信号中的任何噪声都会传播到组件中。为了防止电源传输网络中的噪声在电路板的其他地方引起噪声，需要抑制噪声信号的共振。

当你的电力输送网络没有阻抗匹配时，你的组件和电力输送网络的阻抗谱将包含共振峰和反共振峰。这些频率的电力输送网络中的信号会在电路板的其他地方产生较大的电压峰值。

在电源和地平面之间使用去耦电容器，以及组件制造商推荐的地方，将使阻抗谱平滑，从而降低任何噪声共振的强度。此外，您应该降低实际电力输送网络的阻抗，这通常是在微米或毫欧级别。对于您的电源完整性和信号完整性需求，请确保您拥有您信任的PCB设计软件。

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