PCB部落格 - PCB板上的配電系統是什麼

通常我們在上面展示的內容  印刷電路板 板,  這個 權力  配電系統（PDS）是指將電源的電力分配給系統中需要供電的設備和設備的子系統。 所有電力系統都有配電系統, 例如建築物的照明系統, 示波器,  印刷電路板 板, 一個包裹, 和晶片, 所有這些都有內部配電系統.

PCB上的配電系統

在典型產品中，配電系統包括從電壓調節模塊（VRM）到PCB板、封裝和晶片的所有互連。 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板上的散裝電容器、高頻去耦電容器、互連線、過孔、電源/接地板-封裝上的PCB板配電系統； 封裝引脚、連接線、互連和嵌入式電容器-封裝上的配電系統； 片上互連和電容器等-晶片上的配電系統。 所謂PCB上的配電系統是指PCB上的一個系統，它將電源的電源分配給需要供電的各種晶片和設備。 本文主要關注PCB板上的配電系統，囙此我們同意下麵提到的配電系統或PDS是指PCB板上配電系統。 配電系統的作用是傳輸正確和穩定的電壓，這意味著在任何負載條件下，PCB上所有位置的電壓都可以保持正確和穩定。 配電系統正確穩定運行的研究就是我們所說的電源完整性問題。

電源完整性

所謂電源完整性，是指系統電源在經過配電系統後，相對於設備埠需要電源的設備埠，符合工作電源要求的程度。 一般來說，PCB板上需要電源的設備對工作電源有一定的要求。 以晶片為例，它通常顯示三個參數：極限電源電壓：是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該參數的要求範圍，否則可能導致晶片損壞； 在此範圍內，晶片的功能無法保證； 如果晶片在一段時間內處於該參數的極限值，將影響晶片的長期穩定性； 推薦工作電壓：指晶片電源引脚的電壓需要保證使晶片正常可靠工作的範圍，通常表示為“V±x%”，其中V是晶片電源引脚工作電壓的典型值，x%是允許的電壓波動範圍，常用x為5或3； 電源雜訊：是指晶片電源引脚電壓上允許的紋波雜訊，使晶片正常可靠地工作，通常用其峰峰值來表徵。 晶片的資料表通常提供“極限電源電壓”和“推薦工作電壓”的要求。 對於“電源譟音”，可不單獨提供。 在這種情況下，它可能包含在參數“推薦工作電壓”中。 “電源雜訊”是本文的重點，稍後將單獨討論。 以上面的例子來說明，電源完整性問題是討論系統電源通過配電系統後，晶片不同電源引脚的電源相對於晶片引脚的“極限電源電壓”和“推薦工作電壓”。 “電源譟音”要求。

配電系統的三個特點

配電系統的物理介質多種多樣，包括連接器、電纜、Trace、power Plane、GND Plane、Via、Pad、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電源，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三個電力特性：電阻特性、電感特性和電容特性。

電阻特性

電阻是表徵導體對直流電流電阻的物理量，通常用R表示。其主要物理特徵是當電流I流動時，它將電能轉換為熱能（I2R），並在其上產生直流壓降（IR）。 是導體的一種物理性質，與溫度有關，金屬的電阻率通常隨溫度升高而增大。 配電系統中到處都存在電阻：電纜和連接器中存在直流電阻和接觸電阻，銅線、電源層、接地層和過孔中存在分佈電阻，焊料、焊盤和晶片引脚中存在直流阻抗。 它們之間存在接觸電阻。 IR壓降：此效應導致電源電壓沿配電網逐漸降低，或參攷地電壓升高，從而降低需要供電的設備埠的電壓，導致電源完整性問題； 熱功率耗散：這種效應會降低電源功率轉化為熱量，同時導致系統溫度升高，危及系統的穩定性和可靠性。 RS上的電壓降IRS降低了電源的輸出電壓Voutput，電源路徑上的電壓下降IR1降低了負載的電源電壓Vcc，返回路徑上的壓降IR2提高了負載的GND電平。 上述電阻器RS、R1和R2的電壓降都會導致負載的電源電壓VCC-GND降低，並導致電源完整性問題。 配電系統的電阻產生的熱損失會導致電源的功率轉換為熱量並徒勞地耗散，從而降低系統的效率。 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。 某些區域的電流密度過大也會導致局部溫度繼續升高，甚至燒壞。 從上面的分析可以看出，這兩種效應都對系統有害，並且它們的影響與電阻的電阻值成正比，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，導體周圍會形成磁場。 當電流改變時，磁場也會改變，變化的磁場會在導體兩端形成感應電壓。 電壓極性會引起感應，電流會阻礙原電流的變化； 當導體周圍其他導體中的電流變化導致導體周圍的磁場發生變化時，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。 改變。 這種導體阻礙電流變化的作用稱為電感，前者稱為自感L，後者稱為互感M。這裡我們直接給出了互感的兩個性質：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，也就是說，兩個導體的互感是相同的； 互感小於自感：任意兩個導體的互感小於任意一個導體的自感。 電流變化引起的感應電壓對信號完整性（包括電源完整性）具有重要意義，並可能導致傳輸線效應、突變、串擾、SSN、軌道塌陷、地面跳動和大多數EMI。 在配電系統中，電感是無處不在的。 連接器、電纜、銅線、電源層、接地層、過孔、焊盤、晶片引脚等都有電感，並且相互靠近的導體之間存在互感。 假設支路a的局部自感為La，支路b的局部自電感為Lb，這兩個支路之間的局部互感為M，回路中的電流為I。由於兩個支線平行，電流流向相反，囙此它們產生的磁場方向相反。 假設I新增，對於分支a，由La產生的感應電壓的極性將阻礙分支a中的I新增，但由M生成的感應電壓極性將有助於分支a中I的新增。如果分支a代表電源路徑，分支b代表返回路徑，Va代表電源路徑上的電源雜訊（軌道崩潰/電源反彈）， Vb表示返回路徑上的軌道塌陷/地面反彈雜訊。 這兩種雜訊都會導致電源電壓不穩定，並導致電源完整性問題。 囙此，我們的設計目標之一是降低上述兩種電壓。 有兩種方法：盡可能降低回路電流的變化率：這意味著需要降低負載所吸引電流的突然變化速度，必須限制共亯電源路徑和回流路徑的電源埠的數量； 兩個分支之間的局部互感。 减少支路的局部自感意味著盡可能使用最短和最寬的功率路徑和回流路徑。 新增局部互感意味著兩個支路需要平行。 並在逆向的前提下盡可能接近。 從以上分析可以看出，電流變化時電感引起的感應電壓是電源完整性中許多問題的根源，囙此降低配電系統的上述感應電壓是我們的設計目標之一。

配電系統是本文討論的主要對象, 其工作的相關內容是電源完整性問題. 配電系統具有電阻, 電感和電容特性, 分別地. 電阻和電感特性對電源完整性有害, 而電容特性有利於電源完整性. 我們的設計目標是减少甚至消除電阻和電感特性的影響, 並增强電容特性對 PCB板.