電路設計 - PCB電源系統設計指南

今天, 沒有對晶片的透徹理解，很難設計出高速電子系統, 套裝軟體結構, 和 PCB電路板 電源系統特性. 事實上, 為了滿足較低的電源電壓, 訊號翻轉更快, 更高級別的集成, 還有越來越多的挑戰性需求, 很多走在電子設計前沿的公司在產品設計過程中，為了保證電源和訊號的完整性, 電力系統投入大量資金的分析, 人力物力.

在高速電路設計領域，尤其是在電腦、電晶體、通信、網絡和消費電子行業，電源系統的分析和設計變得越來越重要。 隨著超大規模集成電路（VLSI）科技不可避免的進一步縮小，集成電路的電源電壓將繼續降低。 隨著越來越多的製造商從130nm切換到90nm，我們可以預計電源電壓將下降到1.2V甚至更低，而電流將顯著增加。 從降低直流紅外電壓到控制交流動態電壓波動的角度來看，這種發展趨勢由於允許的雜訊範圍越來越小，給供電系統的設計帶來了巨大的挑戰。

PCB電源系統設計概述

通常在交流分析中，電源與地面之間的輸入阻抗是衡量供電系統特性的重要觀測值。 在直流分析中確定這一觀察結果演變為計算紅外壓降。 無論在直流還是交流分析中，影響電源系統特性的因素有：PCB層、電源板層平面的形狀、元件的佈局、孔和引脚的分佈等。

電源與地面之間的輸入阻抗概念可用於上述因素的模擬和分析。 例如，電源接地輸入阻抗的一個非常廣泛的應用是評估去耦電容器在電路板上的位置。 在電路板上放置一定數量的去耦電容器，可以抑制電路板本身的特性諧振，從而减少雜訊的產生，還可以减少電路板的邊緣輻射，以緩解電磁相容性問題。 為了提高供電系統的可靠性和降級系統的製造成本，系統設計工程師必須經常考慮如何經濟有效地選擇去耦電容器的系統佈局。

高速電路系統中的電源系統可分為3個物理子系統：晶片、集成電路封裝結構和PCB。 晶片上的電網由交替的金屬層組成。 每層由X或Y方向的金屬條組成，形成電源或接地網。 孔將不同層的金屬條連接起來。

對於一些高性能晶片，內核和IO電源都集成了許多去耦單元。 集成電路封裝結構像一個微型PCB，有多層形狀複雜的電源或底板。 在封裝結構的上表面，通常預留去耦電容器的安裝位置。 PCB通常包含連續的大電源和底板，以及一些大小不一的去耦電容元件和功率整流模組（VRM）。 鍵合線、C4凸點和焊球將晶片、封裝和PCB連接在一起。

整個電源系統應確保集成電路組件在正常範圍內提供穩定的電壓。 然而，這些電源系統中的開關電流和寄生高頻效應總是會引入電壓雜訊。

事實上，它還揭示了另一個非常重要的事實，即放置在PCB上的離散去耦電容器的頻率範圍只能達到幾百兆赫。 無論頻率有多高，每個離散去耦電容的寄生電感以及電路板和通孔的回路電感（電容到晶片）都將大大降低去耦效果。 僅通過在PCB上放置離散去耦電容器，不可能進一步降低電源系統的輸入阻抗。 從幾百兆赫到更高的頻率範圍，封裝結構電源系統的相互作用電容以及放置在封裝結構上的離散去耦電容將發揮作用。 在GHz頻率範圍內，晶片中電網之間的電容器和晶片中的去耦電容器是去耦解決方案。

在所示的一個示例中，紅線是在PCB上放置一些離散去耦電容器後的輸入阻抗。 四個共振峰出現在600MHz到700MHz之間。 在考慮封裝結構後，附加封裝結構的電感將諧振峰值移動到大約450MHz，如藍線所示。 加入晶片電源系統後，晶片中的去耦電容器消除了這些高頻諧振峰，但同時引入了一個非常微弱的30MHz諧振峰，如綠線所示。 該30MHz共振將在時域中表示為高頻翻轉訊號中頻包絡中的電壓穀。