PCB新聞 - PCB上的配電系統到底是什麼

一般來說，PDS是指將電源功率分配給系統中的設備和組件的子系統。 配電系統存在於所有電力系統中，例如建築物的照明系統、示波器、PCB板、封裝、晶片及其內部配電系統。

配電系統開啟 PCB電路板

在典型產品中，配電系統包括從電壓調節器模塊（VRM）到PCB、封裝，然後在晶片上的所有互連。 它可以分為四個部分：

電壓調節模塊（VRM）包括其濾波電容器——電源；

PCB上的體積電容、高頻去耦電容、互連線、通孔、電源/接地層——PCB上的配電系統；

封裝引脚、鍵合線、互連和嵌入式電容器——封裝配電系統；

片上互連和電容片上配電系統。

本文的重點是第2部分，PCB上的配電系統。 其餘內容超出了本文的範圍。

PCB上的配電系統是指PCB將電源的功率分配給各種需要電源的晶片和設備的系統。 本文的重點是PCB上的配電系統，囙此我們同意下麵提到的配電系統或PDS是指PCB上的配電系統。

配電系統的作用是傳輸正確和穩定的電壓，這意味著PCB上所有位置的電壓在任何負載條件下都可以保持正確和穩定。 配電系統正確穩定運行的研究稱為電源完整性問題。

電源完整性

電源完整性是指系統的電源通過配電系統後，在需要電源的設備埠滿足電源要求的程度。

一般來說，需要在PCB上供電的元件對工作電源有一定的要求。 以晶片為例，它通常表示為3個參數：

極限電源電壓：指晶片電源引脚能够承受的極限電源電壓。 晶片的電源電壓不能超過要求的範圍； 否則，晶片可能會損壞。 在此範圍內，無法保證晶片的功能； 如果晶片在該參數的極限值內一段時間，晶片的長期穩定性將受到影響。

推薦工作電壓：指晶片電源引脚必須滿足的電壓範圍，以使晶片正常可靠地工作。 它通常由“V±X%”表示，其中V是晶片電源引脚的典型工作電壓，X%是允許的電壓波動範圍，公共X為5或3。

電源雜訊：晶片電源引脚電壓處允許的紋波雜訊，用於晶片可靠工作，通常由其峰峰值表示。

通常為晶片提供“極限電源電壓”和“推薦工作電壓”要求，但“功率雜訊”可能無法單獨提供，可能包含在參數“推薦工作電壓”中。 “功率雜訊”是本文的重點，稍後將單獨討論。

為了說明上述示例，電源完整性問題是討論系統電源在通過配電系統後如何在晶片的不同電源引脚處滿足“極限電源電壓”、“推薦工作電壓”和“電源雜訊”的要求。

配電系統的3個特點

配電系統的物理介質多種多樣，包括連接器、電纜、跡線、電源平面、接地平面、通孔、焊料、焊盤、晶片引脚等。它們的物理特性（資料、形狀、尺寸等）不同。 由於配電系統的目的是向需要供電的設備提供系統電源的功率，以提供穩定的電壓和完整的電流回路，囙此我們只關注配電系統的3個電力特性：電阻特性、電感特性和電容特性。

電阻特性

電阻是一個物理量，表示導體對直流電流的阻礙作用，通常用R表示。其主要物理特徵是，當電流I流過時，電能轉換為熱能（I2R），並在兩端產生直流壓降（IR）。

電阻是導體本身的特性，與導體的溫度、資料、長度和橫截面積有關，由公式1.1確定：

--導體電阻率

--導線長度

--導體的橫截面積

其中

導體的物理性質，與溫度有關。 金屬的電阻率通常隨溫度升高而新增。

配電系統中電阻無處不在：電纜和連接器中存在直流電阻和接觸電阻，銅線、電源層、地層和通孔中存在分佈電阻，焊料、焊盤和晶片引脚中存在直流電阻，它們之間存在接觸電阻。

當電流流過這些電阻器時，它們會產生兩種效應：

直流電壓降（IR壓降）：這種影響將導致電源電壓沿配電網逐漸降低，或導致參攷地電壓升高，從而降低需要電源的設備埠的電壓，從而導致電源完整性問題。

熱功率耗散：熱功率耗散將電源的功率轉換為熱量，並提高系統溫度，影響系統穩定性和可靠性。

將配電系統的電阻和負載等效於圖1.1所示的電路：

其中，Vsource表示電源電壓，Voutput表示輸出電壓，RS表示電源電阻，R1表示電源路徑上的分佈電阻，R2表示返回路徑上的分佈電阻。 假設回路電流為I，負載的電源電壓如等式1.2所示：

RS上的電壓降IRS降低了電源的輸出電壓Voutput，電源路徑上的電壓降IR1降低了負載的電源電壓Vcc，返回路徑上的電壓降IR2新增了負載的GND水准。 上述電阻器RS、R1和R2的壓降將降低負載的電源電壓vCC GND，導致電源完整性問題。

配電系統電阻上的熱損失將導致電源功率轉換為熱量並耗散，從而降低系統效率。 同時，加熱會導致系統溫度升高，降低某些設備（如電解電容器）的壽命，從而影響系統的穩定性和可靠性。 某些區域電流密度過大也會導致局部溫度繼續升高，甚至燒毀。

從以上分析可以看出，這兩種影響對系統有害，其影響與電阻值的大小成正比，囙此降低配電系統的電阻特性是我們的設計目標之一。

電感特性

電感是表徵導體對交流電電阻的物理量。 當電流流過導體時，導體周圍將形成磁場。 當電流變化時，磁場也會變化，變化的磁場會在導體兩端形成感應電壓。 電壓的極性將使感應電流阻礙原始電流的變化。 當導體周圍的磁場變化是由其他導體中的電流變化引起時，導體中也會產生感應電壓，電壓的極性會導致感應電流阻礙原始電流的變化。 這種導體對電流變化的影響稱為電感，前者稱為自感L，後者稱為互感M。在這裡，我們直接給出了互感的兩個特徵：

對稱性：兩個導體A和B，無論大小、形狀和相對位置如何，導體A對導體B的互感等於導體B對導體A的互感，即兩個導體的互感相同；

互感小於自感：任何兩個導體的互感小於任一導體的自感。