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上海傲普科技有限公司 电源分布系统设计 高速数字设计和信号完整性分析 上海傲普科技有限公司 电源分布系统设计 基本概念 设计目标 一般设计规则 多层板叠层结构 电流回路 去耦电容及其应用 噪声抑制 为数字信号提供稳定的电压参考 为逻辑电路提供低阻抗的接地连接 为逻辑电路提供低阻抗的电源连接 为电源和地提供低交流阻抗的通路 为数字电路正常工作提供电源 公共通路阻抗将产生电源和地电位差 XPSW = ESR + 2?f × ESL ESR　——　电源分布系统寄生电阻。低频或直流情况下，是造成电源电位差的主要原因。 ESL　——　电源分布系统寄生电感。高频情况下，交变电流将在寄生电感上产生电源电位差，其幅度远大于寄生电阻的影响。 电源分布系统寄生电感 两条平行的电源和地圆导线 一般设计规则（1） PDS必须为电路正常工作提供稳定的、无噪声的电压和电流 为数字信号提供稳定的电压参考 对于每一个电路来说，PDS应当被视为独立的、相互隔离的，以保证噪声不能通过PDS耦合到其他电路 电源、地平面（线）之间应具有尽可能小的交流阻抗 PDS必须为信号提供无干扰的回流通路 电源、地平面应同时具备空间电场的屏蔽作用 一般设计规则（2） 尽可能采用平面设计，或保持电源和地线尽可能短和宽，避免“梳状”地线 “背靠背”的电源和地层设计，具有最小的PDS阻抗，并具备高频去耦作用，能有效抑制高频噪声 配置足够的、均匀分布的去耦电容 在数模混合设计中，应为数字电路和模拟电路分别提供独立的PDS 大量的不同逻辑电平、不同噪声容限的电路（如TTL、ECL等）在混合设计中，应为它们分别提供独立的PDS 不同的电源、地层应相对隔离，不直接叠压 多层板的叠层结构 叠层结构的设计主要考虑以下因素 稳定、低噪声、低交流阻抗的PDS 传输线结构要求 传输线特性阻抗要求 串扰噪声抑制 空间电磁干扰的吸收和屏蔽 结构对称，防止变形 在高速数字设计中的一般规则是 电源层数 + 地层数 = 信号层数 电源层和地层尽可能成对设计，并至少有一对是“背靠背”设计 采用带状线结构，关键信号传输应采用对称带状线 多层板的叠层实例 电流回路（4） 连接器的隔离盘 连接器在参考平面上不适当的隔离盘，将增加信号的环路面积。 电流回路（5） 信号环路面积增加，将产生额外的感抗，减慢信号边沿速率，并在临近信号线上产生互感串扰。 图3中： 去耦电容及其应用 去耦电容 低频大容量电容（bulk） 高频去耦电容 多层陶瓷片式电容的材料选择 表面贴装电容的布局和布线 多层PCB中的平面电容 埋入式电容 去耦电容 去耦作用 消除高频开关电路产生的RF能量，为电路提供一个低阻抗本地直流源 完成去耦作用的前提，是保证在电源分布系统具有较低的交流阻抗 低频大容量电容（bulk） 在所有的信号管脚开关同时处于最大的容性负载条件时，提供稳定的直流电压、电流 通常选用大容量钽电容，电压额定值一般为电路额定工作电压的5倍 放置位置 时钟电路附近 输入/输出连接处 大功耗电路附近 远离电源馈入点的位置 低频大容量电容的选择实例 某5V CMOS电路板有100个门，分别驱动10pF负载，边沿时间为5ns。电源分布线的电感为100nH 多层陶瓷片式电容的材料选择 通常使用的材料有三种 NP0 X7R Z5U X7R是去耦应用的最佳选择 介电常数介于NP0和Z5U之间 相对于Z5U，具有较好的温度和电压系数 相对于NP0，具有较高的ESR和较差的温度和电压系数 相同的封装下，电容值的范围比NP0宽 表面贴装电容的布局和布线 不同的布局，产生的寄生电感的数值相差很大 应采用较大的过孔 电容焊盘到过孔的引线应尽可能短和宽 多层PCB中的平面电容 多层PCB中直接相邻（“背靠背”）的电源和地平面构成了一个具有最小交流阻抗的平面电容 平面电容具有最好的高频特性 埋入式电容原理 埋入式电容设计 * * ——电源分布系统设计 基本概念 电源分布系统 Power Distribution System（PDS） 当电源、地层之间存在足够的去耦电容后，其交流阻抗极小，交流信号可以在任何一层上传输。换言之，对于交流信号而言，电源、地层是没有区别的，可以统称为平面（Plane） 平面（Plane）为电流回路提供最低阻抗回路 PDS阻抗 设计目标 为数字信号提供稳定的电压参考 为逻辑电路正常工作提供电源 公共通路阻抗 I + - VN Ｘ — 电源分布线长度，in H — 电源分布线平均间距，in D — 电源分布线直径，in nH 多层平行堆叠的扁平带状的电源和地线 Ｘ — 电源分布线长度，in H — 电源分布线平均间距，in W — 电源分布线宽度，in N — 电源和地层数