PCB科技 - 如何平衡PCB電源設計

當設計更複雜的 PCB電路板, 你必須在設計上做出權衡. 因為這些權衡, 有幾個因素會影響PCB配電網絡的設計.

如何平衡PCB電源設計

當電容器安裝在PCB上時，會有一個額外的回路電感，這與電容器的安裝有關。 回路電感的值取決於設計。 回路的電感取決於從電容器到孔的線的寬度和長度、將電容器連接到電源/接地層的線的長度、兩個孔之間的距離、孔的直徑、電容器的焊盤等。圖1顯示了各種電容器的安裝圖。

降低電容電路電感的設計要點：

-孔應盡可能靠近電容器。 减小電源/接地孔間距。 如果可能，並聯使用多對電源/接地孔。 例如，電流極性相反的兩個孔應盡可能靠近，電流極性相同的孔應盡可能遠。

–用短而寬的導線將孔連接到電容引脚。

–將電容器放置在PCB表面（頂部和底部），盡可能靠近其相應的電源/接地層。 這减少了孔之間的距離。 在電源/接地之間使用薄電解液。

接下來是3種不同的設計情况，用於電容器安裝和傳播電感。 圖2顯示了在各種設計條件下將電感引入回路的情况。

案例1-設計不佳

–設計師不關注配電網（PDN）設計。

-孔間距未優化。

–電源和接地層之間的距離未優化。

–孔和電容器引脚之間的長電纜距離。

對於整體回路電感大小，回路電感主要來自佈置的線路，因為不良設計的線路長度是其他兩種情况（良好設計和非常好設計）的五倍。 從安裝電容器的基座到近平面的距離也是回路電感大小的一個主要因素。 由於未優化（10mil），佈線對整個回路電感尺寸的影響非常大。 此外，由於設計者在電源和地面之間使用了10mil的介電材料，回路電感中的次級因素來自傳播電感。 沒有優化的孔之間的距離不如孔的長度重要。 孔越長，孔的影響越大。

案例2-良好的設計

–設計師專注於部分配電網（PDN）的設計。

-改進孔間距。 孔的長度保持不變。

-改善電源和地面之間的距離。

–優化了從孔到電容器引脚的導線距離。

導線的電路電感仍然是整個電路電感的主要貢獻者。 然而，設計良好的電路的電感比設計不佳的電路的電感小約2.7倍。 由於設計者將電介質的厚度從10mil减少到5mil，傳播電感减少了一半。 通過减少穿孔之間的距離，穿孔的影響略有改善。

–設計師非常重視PDN的設計。

-改進孔的間距和長度。

–電源和地面之間的距離也得到了充分優化。

–優化了從孔到電容器引脚的導線距離。

良好設計的電感大約比較差設計的電感小7.65倍。 這是通過减少PCB上從電容器安裝的底面到近平坦層的厚度來實現的，因為佈線長度减少。 由於設計者優化了電源和地面之間電解液層的厚度，傳播電感大大降低。 由於孔間距和孔長度大大减少，通過孔的回路電感也顯著改善。 與較差的設計相比，非常好的設計的總回路電感减少了七個主要因素之一。

在印刷電路板上，通過安裝電容器引入了通過孔回路的附加電感，從而降低了電容器的諧振頻率。 在設計配電網（PDN）時，必須考慮到這一點。 在高頻設計時，减少回路電感是减少阻抗的一種明顯方法。

對於給定的電源，PDN工具生成的PCB以比非常好的設計或較差的設計更高的截止頻率顯示非常好的設計。 這可能與預期結果相反，因為在較高截止頻率下的去耦比在較低截止頻率下的去耦需要更多的電容。 在設計良好的情况下，更高的截止頻率意味著更高的頻率可以解耦。 放置在PCB上的電容器對高達高頻的雜訊具有去耦效應。

在設計不良的情况下，超過下限截止頻率的PCB無法解耦。 任何額外的電容器添加，即在截止頻率之外添加去耦電容器，只會新增BOM成本，對去耦效果沒有影響。 與非常好的設計相比，配電網的設計在設計不佳的情况下更容易受到特定頻率雜訊的影響。 作為另一個示例，假設20層PCB的總厚度為115mil。 電源層在3樓。 從層（FPGA所在的層）到層3的厚度為12mil。 囙此，從底部到第3層的厚度為103mil。 電源和地層在3mil後由電介質分離。 這種軌道的BGA孔的電感大小為5 nh（這種功率軌道有5對孔）。 為了應對該層的緊密佈局區域，與之相關的去耦電容器安裝在底層。 由於此類裝置的長穿孔，這種權衡導致電容器安裝的電感值非常高。 經過充分優化後，0402封裝電容器的安裝電感在底部為2.3nH，在層中相同電容器的安裝電感為0.57nH。

為了改善軌道的PDN效應，可以在層中放置一些高頻電容器，同時將中頻和體電容器保持在底層的原始位置。 這種電路設計是PDN的截止解決方案，因為高頻電容器是響應低於截止頻率的電容器。 電容的影響取決於總回路電感（電容安裝電感+傳播電感+BGA空穴電感）和FPGA。 您可以將高頻電容器放置在層中，稍微遠離FPGA。 放置在FPGA導通區外的電容器的傳播電感為0.2nh。 與原始低電平放置方法相比，這種新的放置方法是有益的，因為當放置在底層時，總回路電感（0.57nh+0.2nh+0.05nh=0.82nH）小於總電感。

PCB板的傳播電感取決於設計，均勻存在於電源和接地層之間的介質中。 3mil或更小的厚度設計用於减少平面傳播電感。 您可以遵循這些設計準則來提高PDN效能。 以下是一些順序重要性的設計準則，層到層-層的設計準則很重要。