PCB布局中的电源完整性基础
关键的外卖
电路板设计中电源完整性的重要性。
权力诚信的基本原则。
PCB设计技巧避免电源完整性问题。
我喜欢把电路板中的能量想象成一个巨大的清澈宁静的湖水，它充分满足了PCB的需求。你可以驾着小船穿过这个湖，一点也不担心，因为这个湖是如此的平静和诱人。多年来，PCB布局工程师采用这种思路来处理电源和地线——只要一块电路板有VCC和接地平面，只要简单地往里面放一个通孔，就可以获得无尽的电源供应。然而，在今天的高速设计中，事实却大不相同。
电路板上的电力供应不是平静如画的湖泊，而是充满波纹和波浪的暴风雨噩梦，威胁要淹没一艘小船。高速电路所需的组件需要大量的功率，产生尖峰，威胁到电路板上其他部件的平稳运行。为了电路板的最佳性能，这些水的完整性必须得到管理，以便电路板有一个均匀和持续的电力供应，以满足其所有需求。这里有一些电源完整性的基本原则，可以帮助你平静风暴电力输送网络在你的设计中。
电路板问题，由于有缺陷的电源完整性
曾经，电路板组件非常简单，许多电路板上只有一个电源和一个接地引脚。这些设备真的很容易使用，特别是通孔版本，因为它们很容易连接到VCC和地面的飞机在黑板上。甚至他们的旁路电容器也很容易放置和布线，因为它们位于部件的顶部，可以很容易地布线到IC的引脚14上。此外，这些部件对电力输送网络的微小波动不敏感，而且它们的信号速度也不够快，不会产生问题。但是，使用的组件高速设计今天，这一切都发生了巨大的变化。
电路板的电力输送网络(pdn)必须仔细管理，以向PCB的所有组件提供清洁的电力。没有为良好的电源完整性而设计的电路板可能会出现很多问题，例如电源波纹创建相声在高速电路的电路板上。我们将进一步了解不良电源完整性可能为电路板带来的不同类型的问题，但首先，让我们看看这些问题的结果:
- PDN中过大的噪声会影响组件所需的电压水平，如果它们低于可接受的水平，相关电路可能会故障。
- 即使电压在部件要求的公差范围内，PDN上的噪声也可能作为信号上的串扰出现，导致这些信号被误读。
- PDN噪声有可能通过电力输送网络的平面和连接辐射EMI。
- 所有这些都会在测试和调试期间给设计人员带来巨大的麻烦。
显然，PCB设计中良好的电源完整性对于设计的成功至关重要，因此，让我们来探索一些电源完整性的基本原理。
这些组件的布局有利于短而直接的布线，这有助于电源的完整性
值得注意的电源完整性基础
电路板中良好的电源完整性意味着其电源传输网络设计为提供稳定的电压参考，并在可接受的噪声和容忍水平内将电源分配到所有电路板组件。PDN必须能够在整个系统中均匀地分配功率——从电源到相关的路由和通道，通过平面和电容器，最后进入单个设备。电路板上的每个设备都需要严格控制和一致的电压供应，以保持一致和稳定的运行。其中一些设备，如大引脚数处理器，需要几个不同的电压和比其他部件更高的安培才能运行。这些组件的需求必须由PDN管理，否则它们将对电路板上的其他组件产生不利影响。以下是设计人员在设计pdn时需要考虑的一些具体的电源完整性问题。
地面反弹
随着高速设计中开关速率的增加，信号的低状态可能不会一直返回到参考地电平。这种地面反弹也被称为同步开关噪声或SSN。当信号的低状态向上漂移时，它最终可能被误解为高状态，导致传输错误的数据。
力量涟漪
SMPS的切换(开关电源)会在整个设计中造成权力的波动。这些波纹可能会产生串扰，压倒并干扰附近电路的运行。
电磁干扰
如果设计不正确，SMPS在开和关状态之间的切换会产生EMI。EMI不仅会影响电路板上电路的平稳运行，而且还会干扰外部电子设备。EMI还与如何配置电路板的电源和地平面密切相关。这些平面不仅为PDN进行电源和接地，而且还可以作为对抗EMI的有效屏蔽。飞机的配置也必须考虑到屏蔽。
信号返回路径
虽然清晰的信号返回路径是创建良好信号完整性的一部分，但参考平面是电路板PDN系统的一部分，在设计电源完整性时必须考虑。高密度部件将有许多通孔用于信号和连接到电源和地面，但这些通孔会阻塞参考平面上的清晰返回路径。此外，一些功率要求可能会导致设计师将一个平面分开，如下图所示。然而，这些分裂可能会影响高速信号的清晰返回路径——产生更多的电磁干扰——必须仔细设计。
现在我们已经看到了一些基本的电源完整性问题，让我们看看PCB布局的最佳实践和电源完整性基础，将有助于防止这些问题。
PCB分割面
PCB布局提示良好的电源完整性
在布局PCB设计时，这里有一些需要密切关注的领域，以避免我们一直在讨论的一些电源完整性问题。
单板层堆叠配置
单板的PDN与单板中各层的配置密切相关板分层盘旋飞行．地面层必须有策略地放置，为敏感信号路由提供微带和带状线层配置。这些层将提供所需的清晰信号返回路径，并提供EMI屏蔽。同样重要的是布局平面层，以确保所有的动力都传递到每个部分。这可能需要为不同的电压划分电源层。通过首先制定设计的平面图，您将更好地了解不同的功能分区，并相应地配置PDN。
组件的位置
必须仔细管理PDN中的参考电压，以确保组件接收到所需的功率。这将防止地面反弹造成虚假触发敏感信号。这意味着要增加多个旁路电容器来稳定PDN，使其免受处理器和其他消耗大量电力的部件的需求。你会想要把这些电容器尽可能靠近他们所绑的电源引脚。将部件像这样紧密地放在电路板的同一侧，对于电源也是很重要的，在电源中，短而直接的布线是必不可少的。记住保持电路的模拟、数字和电源部分相互隔离，以防止电源噪声干扰模拟和数字信号。
跟踪路由
当从电源引脚布线到旁路电容器时，尽可能保持走线短。在布线电源时，应尽量保持线路的短、宽、直，使用45度角或圆角。更宽的线是必要的增加电流和温度的电网，同时，将减少电感在线路上，有助于防止串扰。PDN中较短的路由也将最大限度地减少这些迹线作为天线并产生额外噪声的可能性。记住，保持数字和模拟路由远离电源区域，以保护它们免受噪音的影响。
飞机
最好使用坚实的平面进行接地，而不要采用带痕迹的布线。这将有助于热管理和电源完整性，但它也将有助于信号完整性，为敏感的高速传输线提供清晰的信号返回路径。但是，请记住，不要用切口、分割或大组过孔来阻塞清晰的信号路径。创建接地平面时，请确保其轮廓包含所有组件，以帮助屏蔽EMI。最重要的是，记住要仔细计划平面分割确保动力均匀地分配到各个部件。
PCB设计工具中有很多功能，可以帮助在设计上创建良好的电源完整性，接下来我们将看看如何最好地利用这些功能。
在Cadence的Allegro PCB编辑器中使用的约束管理器
通过PCB设计工具提高电源完整性
如今，PCB设计工具通常具有许多特性和功能，有助于在设计中实现电源完整性基础。例如，Cadence提供了许多不同的工具和资源来开发您的电路板的PDN并创建良好的电源完整性。红外滴分析的特点这个视频就是一个例子。的Allegro PCB编辑器有很多内置的功能来帮助它以及。
在上图中，你可以看到一个内置于Cadence工具中的约束管理器的例子。通过它的电子表格风格的界面，约束管理器允许您指定组件类，网络类、间距规则和迹宽。通过设置功率组件和网络所需的特定值，您可以在工作时控制部件间距和跟踪宽度，而不必在以后进行改造。此外，Allegro具有多个跟踪路由和铜倒功能，允许您根据设计需求精确连接PDN。
有关为您的设计创建PDN的更多信息，请参见此电子书．
如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．