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          電源與印刷電路板的設計

          更新時間:2021-06-07 09:34:06點擊次數:377次
          在進行比較復雜的板子設計的時候,就必須進行一些設計權衡。因為這些權衡,那么就存在一些因素會影響到PCB的電源分配網絡的設計。 當電容安裝在PCB板上時,就會存在一個額外的回路電感,這個電感就與電容的安裝有關系?;芈冯姼兄档拇笮∈且蕾囉谠O計的?;芈冯姼械拇笮∪Q于電容到過孔的這段線的線寬和線長,走線的長度即連接電容和電源/地平面長度,兩個孔間的距離,孔的直徑,電容的焊盤等等。 一、減小電容回路電感的設計...


          在進行比較復雜的板子設計的時候,就必須進行一些設計權衡。因為這些權衡,那么就存在一些因素會影響到PCB的電源分配網絡的設計。

          當電容安裝在PCB板上時,就會存在一個額外的回路電感,這個電感就與電容的安裝有關系?;芈冯姼兄档拇笮∈且蕾囉谠O計的?;芈冯姼械拇笮∪Q于電容到過孔的這段線的線寬和線長,走線的長度即連接電容和電源/地平面長度,兩個孔間的距離,孔的直徑,電容的焊盤等等。

          一、減小電容回路電感的設計要點:

          1. 孔要放在離電容盡可能近的地方。減小電源/地的孔間距。如果可以,用多對電源/地孔并聯在一起。諸如電流極性相反的兩個孔放置的盡量近,電流極性相同的孔放置的盡量遠。

          2. 用短而寬的走線來連接孔和電容引腳。

          3. 把電容擺放在PCB的表面(頂層和底層)盡量靠近他們相應的電源/地平面。這樣能減小孔之間的距離。在電源/地之間用薄的電解質。

          二、比較差的設計情況:

          1.設計人員不關注電源分配網絡(PDN)的設計。

          2.孔的間距沒有優化。

          3.電源和地平面間的距離沒有優化。

          4.孔到電容引腳之間的走線距離較長。

          對于整個回路電感大小來講,回路電感主要來自所布的線,因為與其它兩種情況比較,差的設計時的線長是它們(好的設計和非常好的設計)的5倍。從安裝電容的底層到最近平面的距離也是回路電感大小的主要因素。

          因為這是沒有優化的(10mil),走線對整個回路電感大小的影響是非常大的。同樣,因為設計人員在電源和地之間用了10mil的電介質材料,那么回路電感的次要因素來自傳播電感。過孔間的距離沒有優化的效果相對于小孔的長度就沒有那么的顯著??椎挠绊懺诒容^長的過孔時會變得更大。

          三、比較好的設計情況:

          1.設計人員關注了部分電源分配網絡(PDN)的設計。

          2.孔的間距有所改善??椎拈L度保持不變。

          3.電源和地平面間的距離有所改善。

          4.過孔到電容引腳之間的走線距離經過了優化。

          走線的回路電感依然還是整個回路電感的主要貢獻者。但是,好的設計的走線回路電感要比差的設計情況的的走線回路電感小2.7倍左右。因為設計人員減小了電介質的厚度,從10mil減小到了5mil,傳播電感減小了一半。由于減小了過孔間的距離,過孔的影響有了一點點改善。

          四、非常好的設計情況:

          1.設計人員非常注重PDN的設計。

          2.孔的間距和長度都有改善。

          3.電源和地之間的距離也進行了充分的優化。

          4.過孔到電容引腳之間的走線距離經過了優化。

          非常好的設計的走線的電感比差的設計的走線電感要小大約7.65倍。由于減少了走線長度,在PCB板上減少了從電容安裝的底層表面到最近的平面層的厚度,這就達到了目的。由于設計人員已經優化了電源和地之間的電解質層厚度,傳播電感就會大大的減小。由于孔間距和孔長度大大的減小,那么過孔的回路電感也得到了顯著改善。相比差的設計,由于7個主要因素的其中之一減少,非常好的設計情況的總回路電感就被減少了。

          PCB板上,額外的過孔回路電感通過安裝電容被引入,這樣就降低電容的諧振頻率。當你在設計電源分配網絡(PDN)時,必須要考慮到這個因素。在高頻設計的時候,減小回路電感是降低阻抗的唯一能看得見的方法。

          對于給定的電源,相比較非常好的設計和差的設計情況,PDN工具產生的報告顯示非常好的設計的PCB截止頻率會更高。這也許與預期的結果是相反的,因為相對于對低截止頻率的去耦,對較高截止頻率的去耦需要更多的電容。

          對于非常好的設計的情況,較高的截止頻率意味著能對較高頻率進行去耦。擺放在PCB板上的電容對噪聲直到一個較高頻都有去耦效果。

          對于差的設計的情況,對超過較低截止頻率的PCB板不能去耦。任何額外的電容增加,即增加超過截止頻率的去耦電容只能增加BOM成本而對去耦效果沒有任何影響。相對于非常好的設計,對于差的這種設計情況,其電源分配網絡的設計對于某一特定頻率的噪聲更容易受到影響。

          作為另外一個例子,假設一塊20層的PCB板總共有115mil的厚度。電源層在第3層。從第一層(FPGA在的這一層)到第3層的厚度有12mil。那么從底層到第3層的厚度就是103mil。電源和地層被3mil后的電介質分離開。對于這種軌跡的BGA孔的電感大小為5nH(對于這種電源軌跡5對孔)。

          為了應對第一層比較緊密的布局布線區域,與之相關聯的去耦電容都安裝在底層。由于這樣安裝會有很長的過孔,這種權衡設計導致了很高的電容安裝電感值。經過充分優化后,0402封裝的電容在底層的安裝電感是2.3nH,而同樣的電容放在第一層的安裝電感是0.57nH。

          為了改善這種給軌跡的PDN效果,你可以把一些高頻電容放置在第一層,同時把中頻和bulk電容還是放在原來的位置上即底層。這種電路設計對PDN是截止的解決方法,因為高頻電容是在截止頻率以下作為第一響應的電容。電容的效果依賴于總的回路電感(電容的安裝電感+傳播電感+BGA孔的電感)與FPGA。

          你可以把高頻電容放在第一層并離FPGA稍微遠一點點的地方。電容放在FPGA breakout區域外的傳播電感是0.2nH。相對于原來放置在底層的方法,這種新的放置方法還是有益的,因為總的回路電感(0.57nH+0.2nH+0.05nH=0.82nH)比放置在底層的時候的總電感要小。

          PCB板的傳播電感是與設計是相關,電源和地平面間的介質中它是均勻存在的。3mil厚度或者更薄的厚度是最佳的減小平面傳播電感的設計。你可以根據如下的設計指導來提升PDN的性能。

          如下的是關于順序重要性的設計指導,從第一層到底層—在第一層的設計指導是最重要的。

          減小電源和地層間電介質厚度。當設計板子的疊層時,確定電源、層和其他的層。舉一個例子,如疊層PWR1 - GND1 - SIG1 - SIG2- GND2 - PWR2要優于PWR1 - SIG1 - GND1 - SIG2 - GND2 - PWR2這種疊層。第二種情況的結果是沒有對電源和地之間的距離優化的設計。

          這樣的設置會導致大電容傳播電感在PWR1/GND1之間比在PWR2/GND2之間的電感大。你可以在電源和地平面之間找到一種典型的3mil的電介質厚度而不增加額外的成本。對于額外的性能改善,考慮比3mil更薄的電介質厚度。但是,這會導致PCB的成本上升。

          當選定電容的時候,選擇多個電容值,而不是選擇一個相同值的大電容來達到目標阻抗。在PDN中,阻抗的峰值是由諧振反應形成的。高ESR在諧振頻率點能抑制諧振,因此減少阻抗峰值的高度。在電容的諧振頻率處和阻抗峰值處,用一些電容值相同的電容能截止的減少ESR。

          在一個很寬的頻率范圍內,選擇多種電容值的電容種類,能維持一個相對高的ESR。

          選擇放置高頻電容的位置,以減少整個回路電感。整個電感是由電容的ESL、安裝電感、傳播電感和BGA的過孔電感組成的。在放置電容時優先放置高頻電容,其次是中頻和低頻電容。

          當在分割平面時,確保平面的形狀成適當的方形。避免狹長的平面形狀,因為這樣做會限制電流的大小和增加平面的傳播電感。

          中頻和低頻的電容對于如何放置沒有那么的敏感??梢园阉麄兎旁陔xFPGA稍微遠一點的地方。

          五、權衡多路設計的情況

          在一塊有多路外設的PCB板上,你的設計就不能再共享一個供電電源。這也許需要你通過你的設計去執行DDR的電源接口,聯合各種I/O口的電源軌跡,或者聯合各種接收端的電源軌跡以減少PCB的BOM成本和PCB的布局復雜度。

          電源軌跡共享增加了PDN的復雜度,同時在PCB上和die的位置處也增加了大量的噪聲。對于多路的情況,設計電源的分配解決方法主要有兩步:

          1 低頻解決方法

          2 高頻解決方法

          在非常低頻的時候,第一步確保VRM的大小是否適合處理各種電流的需要。

          低頻去耦一定要考慮清楚各種組合電源供電電流的情況。Bulk電容一定要選擇能覆蓋目標阻抗所覆蓋的頻段。做到精確的知道頻率范圍是有困難的,因為這有一個區域超過了阻抗曲線,這是在die上給定的電源區域,建立在自己的最大電流消耗上,而不是與其它路電流相關聯的由同一個供電電源供電組合的電流消耗。對于設計,bulk電容去耦的頻率范圍估計是從DC到大約5~10MHz。

          在共享多路電源的時候,通過PDN工具按照相似的方法使用這種設計方法,但是推薦你在最高的截止頻率點去耦。對于單一和共享多路電源的去耦,這是成功實現單一PDN方法設計的流程。這種方法是合適于與電源路之間與相似電流要求的電源路設計的。但是,對于這種方法這有幾個例外。

          這個例子是電源共享在核心電源供電(Vcc)和PCI Express hard IP Block(VccHIP)電源供電。例外的原因是:

          1.VCC的電流會比VCCHIP的大很多。

          2.對比VCC和VCCHIP,VCC的BGA的過孔電感會比VCCHIP低很多。

          3.對比VCC和VCCHIP,VCC的截止頻率會比VCCHIP低很多。

          按照以前的解釋,高頻的噪聲在電源軌跡中,主要是由于自己的瞬態電流產生的。對于共享電路最高截止頻率的去耦設計指導書是基于整個瞬態電流的阻抗計算,這是“過設計”的要求。

          在這種情況下,你必須基于PCB去耦項目用整個瞬態電流來計算目標阻抗曲線,相當于電源路截止頻率的最大的電流消耗。在VCC和VCCHIP電源路共享的例子中,你必須用VCC電源路的截止頻率。如圖3-A所示為核心電源去耦的截止頻率的組合電源路的阻抗曲線。對于核心電源,用沿著BGA的球或者過孔的(VCC+VCCHIP)的總電流得到阻抗曲線。那么你可以檢查核對結果是否符合單個電源設計指導的目標阻抗。

          最終的去耦項目必須達到各自目標阻抗的頻率。如果存在一些特殊的違反設計目標的情況,可以盡量小的調整以優化去耦項目。

          遇到類似的情況,可以根據VCC和VCCHIP的例子對任何供電電源組合進行優化。

          在一塊PCB板上,當有多個FPGA需要從同一個電源供電時,你可以使用相似的方法來應對這種情況。對于設計低頻解決方案一定要用芯片的總電流消耗,對于高頻解決方案設計,一定要用其中一個芯片的電流消耗。你可以使用同樣數目的電容給其他芯片在高頻情況時去耦。

          當與場分析工具得到的解決方案相比較,如果兩個FPGA芯片之間的空間比較小,高頻方可能導致輕度的過設計,因為場分析工具是考慮了板子的布局情況的。這可能是因為芯片之間比較接近,幾乎沒有電容能夠截止地滿足兩個芯片的位置的要求。這也取決于從FPGA芯片端看到的電容的截止回路電感。

          一個常用的設計權衡是建立一個獨立的電源平面,和從一個供電電源給不同的電源網路供電,使用濾波器來供給干凈的電源給電源網路。大多數情況下濾波器是磁珠,連接在板子上的兩個電源之間。作為規則是,你可以按照如下設計指導,給一個電源網絡提供干凈的電源。

          1.當磁珠連著兩個電源網絡的時候,確保安裝電感是最小的。

          2.根據如下所列的特性選擇磁珠,確保電源電路的電流消耗要小于磁珠的額定電流。

          3.封裝尺寸(0603,0402等等)

          4.額定電流

          5.直流電阻

          6.在目標頻率的阻抗(10 MHz, 100 MHz, 1 GHz等等)

          7.磁珠的等效的RLC模型頻率響應一定盡量與datasheet中給定的相符合。

          8.做交流分析時,在所覆蓋的頻率內,一定要包含磁珠的模型,還有各種為了達到目標阻抗而選用的電容。當設計電容的等效RLC模型的時候,安裝電感要作為模型的一個組成部分考慮進去,如果交流分析沒有峰值出現在我們感興趣的頻段(DC to 200 MHz),你就可以使用磁珠隔離來提供干凈的電源。

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