如何維護PCB電源完整性？

在本文的第1部分中，我描述了通過完全設計完成與維護PCB電源完整性相關的各種挑戰(zhàn)和問題任何給定產品實施的功能PDS。本文將通過概述構成PDS的元素，工程師在設計PDS中的工作以及可用于該設計過程的資源來解決這些問題和挑戰(zhàn)。應該指出的是，所有這些要素的徹底處理包含在本文末尾所述的參考文獻1章和參考文獻2章的第3章中。

問題的根源

如前文所述，功率輸送已成為當今PCB設計過程中最關鍵和最困難的方面。而且，如前所述，這是由于必須解決的頻率數(shù)量，巨大的電流和不斷縮小的工作電壓。雖然獲取路由規(guī)則并確定板的疊加可以在幾天內完成，但是設計一個正常運行的PDS可能需要一個月的時間。但是，由于PDS設計尚未被很好地理解，因此在設計過程的最后階段，如果遇到問題，它會成為設計過程中沒有良好基礎的神話和經(jīng)驗法則的犧牲品。

構成成功PDS設計的要素

圖1是真實PDS系統(tǒng)的示意圖。 PDS設計過程的目標是制造阻抗足夠低的電源，以便Delta I負載電流變化導致紋波電壓在規(guī)格范圍內。在該圖中，可以看到電源阻抗。產品開發(fā)人員的任務是設計此阻抗，使其滿足上述條件。這是一個分析問題，必須考慮到許多因素。作為本文第1部分中提到的此過程的一部分，工程師別無選擇，只能假設Delta Is是最大Ioads。此外，它們可以在從DC到數(shù)百MHz的任何頻率發(fā)生。

圖1. PDS設計問題簡化

圖2顯示了典型設計的PDS阻抗以及構成PDS的所有元素。

這些包括：

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電壓調節(jié)器模塊（VRM）也稱為負載點（POL）。

這是產生直流電壓的模塊。/p>

電路板上安裝的電容器。

平面電容器（PCB）。

圖2.典型PDS示意圖

這些元素中的每一個都具有有限的頻率范圍，其中它們如下有效：

VRM：VRM能夠保持高達幾KHz的電壓。/p>

電容器：電容器能夠實現(xiàn)從幾KHz到大約100 MHz的低阻抗。

平面電容器：平面電容能夠提供超過100 MHz的頻率。

注意：我們遇到的所有EMI問題的根源過去幾年一直是電路板上沒有任何平面電容。另外，重要的是要注意當電路板變小時，沒有平面電容。在這些情況下，電容必須在IC元件本身內。 PDS工程師的工作是管理上述元件，以便在整個頻率范圍內保持低阻抗。注意：正如我之前關于鐵氧體磁珠使用的文章所述，在給定PCB的整個頻率范圍內保持低阻抗的必要性抵消了鐵氧體磁珠的使用。這是因為功率路徑中的鐵氧體磁珠破壞了PDS的阻抗，因為根據(jù)定義，鐵氧體磁珠是高阻抗的。

事實上，PDS設計已成為設計過程中的第1步。在沒有完成PDS設計的情況下，甚至無法確定電路板中需要多少層。這是由于在設計流程中的PDS步驟完成之前，由Vdd和接地平面彼此緊密間隔形成的平面電容量是未知的。然后，這個平面電容內置在PCB疊層中。

阻抗與頻率的關系

圖3是使用經(jīng)典的.1和.01微法電容器規(guī)則的阻抗與頻率的關系 - 經(jīng)驗法則?？v軸是阻抗，水平是頻率。如本文參考文獻3所述，使用.1和.01微法拉電容器，事情會變得更好，達到60MHz左右，然后事情變得更糟。這表明任意將電容器放在電路板上會導致不良結果。此圖由密蘇里大學羅拉分校提供，并在本文末尾的參考文獻3中引用。

圖3.使用0.1 uF和0.01 uF電容的典型設計的阻抗與頻率的關系

圖4顯示了典型VRM的輸出阻抗。這是一個DC-DC轉換器。它僅顯示出100Hz的低阻抗，然后停止調節(jié)。從那里開始，你不能依靠調節(jié)器來保持低阻抗。電容器必須接管該頻率以上。

圖4.典型電壓調節(jié)器的阻抗與頻率的關系模塊（VRM）

圖5顯示了典型PDS的阻抗與頻率的關系，所有元素的組合。藍色曲線是平面電容器，黑色曲線是調節(jié)器停止調節(jié)后的調節(jié)器。還示出了每個在其窄頻率范圍內操作的電容器的不同值。紅色曲線是所有元素一起工作的。 PDS工程師的工作是選擇正確的組合，以便達到阻抗目標。

圖5.典型PDS的阻抗與頻率

電源完整性作為設計過程的一部分

設計功能性PDS的步驟包括確定負載是什么，紋波目標是什么，然后設計上述元件。但是，直到你證明自己已經(jīng)做對了，你才能完成。通過參考參考文獻2的附錄2中所述的測量來完成該證明。如上所述，人們做出失誤的關鍵區(qū)域是不將平面電容結合到電路板中。

如上所述，由于各種因素，PDS設計通常是PCB設計過程中解決的最后一個方面。很多時候，工程師在設計PDS時不知道要問的正確問題和/或他們依賴于不包含PDS設計元素的組件應用筆記。除了使用仿真工具之外，還有另一種資源可以滿足大多數(shù)工程師在設計PDS時所需的工作：Altera的工具名為ALTERA_PDN_Tool v.10，可以在公司網(wǎng)站上免費獲得。

使用Altera PDN工具，您可以從電容器庫中選擇電容器;你定義了如何安裝這些電容器;你定義了平面電容;你定義了如何連接BGA;并定義電壓，容差和Delta I的含義。然后該工具為您進行數(shù)學計算，并告訴您平面下有多少電感。這使您能夠以最有效和最有效的方式完成PDS設計過程。

摘要

PDS設計已成為當今PCB設計過程中最關鍵和最困難的因素。了解構成全功能PDS的元件，同時在PCB的所有頻率范圍內保持低阻抗是該過程的關鍵部分。有一些方法和工具可以幫助確保在任何給定的PCB設計中成功實現(xiàn)電源完整性。今天與Altium專家交談以了解更多信息。

參考文獻：

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Ritchey，Lee W.和Zasio，John J.，”第一次，關于高速PCB和系統(tǒng)設計的實用手冊，2006年第2卷。

Hubing，Todd H.等人，“多層印刷電路板上的電源總線去耦“關于電磁兼容性的IEEETTraactions，Vol。 37，NO 2，1995年5月。

Smith，Larry＆amp; Bogatin，Eric：“簡化電源完整性和PDB設計的原則”，PrenticeHall，2017