PCB電源供電系統分析與設計

當今，在沒(méi)有透徹掌握芯片、封裝結構及PCB的電源供電系統特性時(shí)，高速電子系統的設計是很難成功的。事實(shí)上，為了滿(mǎn)足更低的供電電壓、更快的信號翻轉速度、更高的集成度和許多越來(lái)越具有挑戰性的要求，很多走在電子設計前沿的公司在產(chǎn)品設計過(guò)程中為了確保電源和信號的完整性，對電源供電系統的分析投入了大量的資金，人力和物力。

電源供電系統(PDS)的分析與設計在高速電路設計領(lǐng)域，特別是在計算機、半導體、通信、網(wǎng)絡(luò )和消費電子產(chǎn)業(yè)中正變得越來(lái)越重要。隨著(zhù)超大規模集成電路技術(shù)不可避免的進(jìn)一步等比縮小，集成電路的供電電壓將會(huì )持續降低。隨著(zhù)越來(lái)越多的生產(chǎn)廠(chǎng)家從130nm技術(shù)轉向90nm技術(shù)，可以預見(jiàn)供電電壓會(huì )降到1.2V，甚至更低，而同時(shí)電流也會(huì )顯著(zhù)地增加。從直流IR壓降到交流動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)控制來(lái)看，由于允許的噪聲范圍越來(lái)越小，這種發(fā)展趨勢給電源供電系統的設計帶來(lái)了巨大的挑戰。

PCB電源供電系統設計概覽

通常在交流分析中，電源地之間的輸入阻抗是用來(lái)衡量電源供電系統特性的一個(gè)重要的觀(guān)測量。對這個(gè)觀(guān)測量的確定在直流分析中則演變成為IR壓降的計算。無(wú)論在直流或交流的分析中，影響電源供電系統特性的因素有：PCB的分層、電源板層平面的形狀、元器件的布局、過(guò)孔和管腳的分布等等。

圖1：PCB上一些常見(jiàn)的會(huì )增加電流路徑阻性的物理結構設計。

電源地之間的輸入阻抗概念就可以應用在對上述因素的仿真和分析中。比如，電源地輸入阻抗的一個(gè)非常廣泛的應用是用來(lái)評估板上去耦電容的放置問(wèn)題。隨著(zhù)一定數量的去耦電容被放置在板上，電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產(chǎn)生，還可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問(wèn)題。為了提高電源供電系統的可靠性和降級系統的制造成本，系統設計工程師必須經(jīng)?？紤]如何經(jīng)濟有效地選擇去耦電容的系統布局。

高速電路系統中的電源供電系統通?？梢苑殖尚酒?、集成電路封裝結構和PCB三個(gè)物理子系統。芯片上的電源柵格由交替放置的幾層金屬層構成，每層金屬由X或Y方向的金屬細條構成電源或地柵格，過(guò)孔則將不同層的金屬細條連接起來(lái)。

對于一些高性能的芯片，無(wú)論內核或是IO的電源供電都集成了很多去耦單元。集成電路封裝結構，如同一個(gè)縮小了的PCB，有幾層形狀復雜的電源或地平板。在封裝結構的上表面，通常留有去耦電容的安裝位置。PCB則通常含有連續的面積較大的電源和地平板，以及一些大大小小的分立去耦電容元件，及電源整流模塊(VRM)。邦定線(xiàn)、C4凸點(diǎn)、焊球則把芯片、封裝和PCB連接在了一起。

整個(gè)電源供電系統要保證給各個(gè)集成電路器件提供在正常范圍內穩定的電壓。然而，開(kāi)關(guān)電流和那些電源供電系統中寄生的高頻效應總是會(huì )引入電壓噪聲。其電壓變化可以由下式計算得到：

這里ΔV是在器件處觀(guān)測到的電壓波動(dòng)，ΔI是開(kāi)關(guān)電流。Z是在器件處觀(guān)測到的整個(gè)電源供電系統電源與地之間的輸入阻抗。為了減小電壓波動(dòng)，電源與地之間要保持低阻。在直流情況下，由于Z變成了純電阻，低阻就對應了低的電源供電IR壓降。在交流情況下，低阻能使開(kāi)關(guān)電流產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲也變小。當然，這就需要Z在很寬的頻帶上都要保持很小。

圖2：Sigrity PowerDC計算得到電源板層上的電流分布。

注意到電源和地通常用來(lái)作為信號回路和參考平面，因此電源供電系統與信號分布系統之間有著(zhù)很緊密的關(guān)系。然而，由于篇幅的限制，同步開(kāi)關(guān)噪聲(IO SSO)引入的電源供電系統的噪聲現象和電流回路控制問(wèn)題將不在這里討論。以下幾節將忽略信號系統，而單純注重電源供電系統的分析。