高速电路PCB的电源地噪声设计

高速电路PCB的高速电路PCB的电源地噪声设计电源地噪声设计电源、地平面的作用电源、地平面的作用为电路板上各部分电路提供低噪声的电源提供电位的参考点为所有产生或接收信号提供低阻抗回路降低串扰什么是电源地噪声？什么是电源地噪声？根本原因：电源阻抗不为0而PCB板上合理的电源系统设计可以有效地降低系统噪声为什么会产生电源地噪声？为什么会产生电源地噪声？电源系统的阻抗电源系统的阻抗理想电源的阻抗为0，0阻抗保证了理想电源的阻抗为0，0阻抗保证了源端电压与负载端电压一致，因为源端电压与负载端电压一致，因为负载端的阻抗相对于源端的0阻抗负载端的阻抗相对于源端的0阻抗为无穷大，所有的噪声都将被这个为无穷大，所有的噪声都将被这个理想的电源所吸收，理想的电源所吸收，但是，实际电源并不是0阻抗但是，实际电源并不是0阻抗电源的阻抗电源的阻抗实际电源理想电源平面电源的阻抗昀低！？平面电源的阻抗昀低！？我们无一例外地使用电源地平面作为高速电路板的电源分配系统，因为通常平面层具有比总线式的电源更低的阻抗。是不是任何情况都是这样呢？高速电路的电源地平面构成了一个谐振腔，在其谐振频率上将表现出很高的阻抗。如果信号工作频率或者其高次谐波正好在这个谐振频率上，那么整个系统就是一个巨大的干扰辐射源高速电路的电源地平面高速电路的电源地平面平面谐振腔的谐振频率有一个计算公式其中a为正方形金属平面的边长平面谐振腔的谐振频率平面谐振腔的谐振频率平面谐振腔的谐振频率点平面谐振腔的谐振频率点我们常用的单板其第一个谐振频率点约在200M—400M，一个6cmX6cm的单板其第一个谐振频率点约在800M左右什么情况下产生电源噪声？什么情况下产生电源噪声？纹波与开关电源高频干扰噪声数字电路高速总线瞬态变换噪声过冲、振铃及串扰器件辐射发射噪声电源地反弹大功率模拟电路如功放、大电流继电器AVH75半砖系列电源模块典型指标开关电源噪声指标开关电源噪声指标电源噪声干扰信号电源噪声干扰信号开关电源由于其工作特性使其具有较高的效率，同时纹波较大也带来高频干扰，所以在要求比较高的场合使用开关电源会给输出加LC滤波。线性电源纹波小，干扰小，但它本身也会消耗相当的功率，特别是输入输出压差比较大时，一般线性电源只需要电容滤波就可以了开关电源与线性电源开关电源与线性电源电源分配网络作为信号回路电源分配网络作为信号回路电源系统的一个作用是为所有产生或接收信号提供低阻抗回路，考虑这方面的设计可以消除很多高速噪声的问题信号回路的特性信号回路的特性信号开关时能量的产生是高速电路中产生噪声的根源。任一信号的开关，都产生一个交流电流，而电流需要一个回路信号回流路径信号回流路径这里VCC与GND对交流来说是等效的，都可以作为信号回路信号线与信号回路构成了一个电流环路，这个电流环路可以看作一个线圈，具有一定的电感量。这可能恶化信号的振铃、串扰、辐射。环路的电感量和它所引起的问题，会随着环路包围的面积的增大而增大。所以，昀小环路面积将昀小化由于电流环路而引起的振铃、串扰、辐射等问题。回流产生电流环回流产生电流环高速信号的回流将选择阻抗昀小的回流路径，主要是电感昀小的路径。对于有完整的电源参考平面的信号来说，阻抗昀小的路径就是沿其信号线在参考平面层的投影回路。如果在回路中有分割的情况，那么必然会引起较大的电流环路面积，导致较大的干扰高速信号的回流路径高速信号的回流路径开槽导致更大的回流路径开槽导致更大的回流路径低噪声电源地的设计低噪声电源地的设计高速电路PCB电源地噪声设计高速电路PCB电源地噪声设计对于我们常见的单板来说，降低电源噪声的两个根本点：降低电源阻抗提高电源地平面系统的谐振频率如何降低电源噪声如何降低电源噪声低噪声电源系统设计常用方法低噪声电源系统设计常用方法屏蔽平面分割滤波和去耦加接地过孔提高平面系统谐振频率电源地平面靠近信号回路完整性低噪声电源地的设计低噪声电源地的设计第一部分电容器分析与合理使用电容的作用电容的作用电源地平面层能够较好的消除数百M到几个G的高频噪声，但对于较低频段的噪声就无能为力了，这时往往需要添加电容来得到较好的电源质量开关电源系统、滤波电容、高频电容及电源地平面对降低系统阻抗的贡献系统阻抗系统阻抗理想电容器与实际电容器模型实际的电容实际的电容电容器的频率响应曲线电容器的频率响应曲线实际的电容器可以看作一个LC串联谐振电路，其谐振频率为，实际电容器在谐振频率以下呈容性，在谐振频率以上呈感性，从频率响应图上可见电容更像一个带通滤波器，而不是一个低通滤波器电容器的谐振频率电容器的谐振频率电容器的ESL和ESR是由电容的结构和所用介质决定的，而不是电容量，对于高频抑制能力并不会因更换更大容量的同类型电容而增强。更大容量的同类型电容通常比小容量的电容具有更低的阻抗，但高于谐振频率时，ESL决定了两者的阻抗不会有什么区别。要取得更高频的抑制能力，只能更换具有更小ESL的电容电容器的ESL与ESR电容器的ESL与ESR高频时更大的电容并没有更低的阻抗不同大小的同类电容频率响应曲线不同大小的同类电容频率响应曲线电容器的ESL电容器的ESL电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。ESL在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。已安装在PCB上的电容器的ESL是由三个部分引起：引线焊盘电感、电容器的厚度以及电源平面的分布感应系数这三个参数决定了电流环路，电流环路越大，电感就越大，对ESL起主要贡献的是引线焊盘，它是过孔的位置、过孔与焊盘连线长度以及过孔连接到电源地平面的路径组成的，电源地平面在PCB层叠结构中的位置决定了过孔连接到电源地平面的路径产生ESL的因素产生ESL的因素布线方式影响电感大小布线方式影响电感大小电容器自身对高频电流也构成一个回路，从而引起电感。我们知道典型的电容器是用交替相连的多层金属薄膜和介质制成的，越大的电容越厚，流过的电流就有越大的电流环路，就有越大的电感。电容器的电感基本上是由电容器的大小与制作决定了。一个40mil（0805封装）厚的电容其本身的电感大约为4nH电容器自身构造引起的电感电容器自身构造引起的电感大电容的内部构造大电容的内部构造大电容的内部构造平面层中电流在过孔处非常集中，集中的电流形成磁场带来电感效应，而且在平面的边缘及拐角处感应系数更大，因为在PCB的中间电流是以四个方向流向过孔，而在板边缘及拐角处只能从两个方向。电源地平面间的距离不同也会导致不同的感应系数PCB中电源地平面带来的电感的影响PCB中电源地平面带来的电感的影响平面层引起的电感平面层引起的电感３种电感比较３种电感比较焊盘连线电感、平面层分布电感以及电容器自身电感的贡献比较见图13，其中焊盘连线电感是起主要作用的。在设计中考虑好焊盘连线方式及减小平面层间距可以将电容器的ESL降低一半以上。降低ESL设计降低ESL设计通过ESL的研究让我们对电容的不同布线方案有了理论指导，我们应选择昀能减小ESL的布线方案电容焊盘到过孔的联线尽量粗、短降低ESL设计降低ESL设计电容器的ESR电容器的ESR电容器的等效串联电阻是由电容器的引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻相串联构成的。当有大的交流电流通过电容器，ESR使电容器消耗能量(从而产生损耗)。这对射频电路和载有高波纹电流的电源去耦电容器会造成严重后果。ESR昀低的电容器是云母电容器和薄膜电容器不同电容器的ESR不同电容器的ESR电源分配系统应该在单板的频率范围内保持低阻抗，在1M到几百M的范围内使用电容器常常是很好的解决方法。ESR决定了电容器的昀小阻抗，所以它是一个很重要的参数。过高估计ESR会使用更多的电容器导致多余的开销，过低估计ESR又会导致不恰当的电源系统阻抗合理选择ESR参数合理选择ESR参数电容器提高系统谐振频率电容器提高系统谐振频率在电源地平面间添加电容能够有效提高平面系统的谐振频率点，而且电容数量越多，系统谐振频率越高，电容器的ESL越小，系统谐振频率也越高，电容值的大小以及电容器的ESR对系统谐振频率的影响不大在一个10cm×10cm四层平面板模型上做仿真分析，比较加5个0.1u与9个0.1u电容的情况电容的数量对电源谐振平面的影响电容的数量对电源谐振平面的影响电容的寄生电感参数对电源谐振平面电容的寄生电感参数对电源谐振平面的影响的影响我们常用的电容器主要有电解电容器（包括铝电解及钽电解电容器）、陶瓷电容器、薄膜电容器等常用电容器类别常用电容器类别类型典型介质吸收优点缺点NPO陶瓷电容器吸收＜0.1%外型尺寸小、价格便宜、稳定性好、电容值范围宽、销售商多、电感低通常很低，但又无法限制到很小的数值(10nF)聚苯乙烯电容器0.001%～0.02%价格便宜、DA很低、电容值范围宽、稳定性好温度高于85°C，电容器受到损害、外形尺寸大、电感高聚丙烯电容器0.001%～0.02%价格便宜、DA很低、电容值范围宽温度高于+105°C，电容器受到损害、外形尺寸大、电感高聚四氟乙烯电容器0.003%～0.02%DA很低、稳定性好、可在+125°C以上温度工作、电容值范围宽价格相当贵、外形尺寸大、电感高MOS电容器0.01%DA性能好，尺寸小，可在+25°C以上温度工作，电感低限制供应、只提供小电容值聚碳酸酯电容器0.1%稳定性好、价格低、温度范围宽外形尺寸大、DA限制到8位应用、电感高电容器布局电容器布局高速电路设计理论告诉我们，去藕电容要放在芯片的电源地管脚附近，那么到底要放得多近呢？要使电容器充份发挥其效能，电容器的位置是首先要关注的一个大约的估算公式是L/12，以时钟驱动器为例，其上升沿时间为1ns，此段时间內信号行进距离为5.5inch。要能及时供应电源，电容必须放在L/12亦即0.45inch，或1.15cm內才能完全发挥作用。超过这个距离，则效用将会按距离的3次方减弱。例如，距离成为两倍2.3cm时，电容的作用将只剩1/8电容器的位置电容器的位置对于钽电容的布局我们需要特别关注一些，因为钽电容抗浪涌能力比较差，不要直接放在开关电源模块的输出端，举下面一个例子电容布局电容布局钽电容的位置钽电容的位置上图是某单板3.3V电源模块输出及电容滤波示意图（输出是限定通道的），我们看到铝电解C657在前面，钽电解C656在铝电解的后面，这样先经过了一级滤波后钽电解所承受的浪涌电压会小一些，如果将二者位置互换，则钽电解的失效机率就大大增加了钽电容的布局钽电容的布局我们目前的设计都会给器件去耦，也会对电源输出进行滤波，但常常忽略了在单板边缘加适当的电容进行去耦及滤波，实际上由于全反射，单板的边缘往往具有比板中间更大的噪声板边缘滤波板边缘滤波某单板经常无故被复位，经检查复位线为了避开其他信号的干扰，特地走在了板边而且在边角上打了一个过孔，又经过分析在此过孔位置处电源纹波较大，进而通过这个过孔影响了复位信号，解决方案就是将过孔移到板里面去或在过孔的位置加去耦电容！案例—板边具有更大的噪声案例—板边具有更大的噪声记着在板子边缘加一些电容，可能会有意想不到的好处板边加电容板边加电容低噪声电源地的设计低噪声电源地的设计第二部分接地过孔分析与使用接地过孔的作用接地过孔的作用接地过孔同样有助于提高系统谐振频率接地孔截面图加接地过孔的三种情况接地孔顶视图接地孔顶视图接地过孔对平面谐振频率的影响接地过孔对平面谐振频率的影响2×2、4×4、10×10三种情况的昀低谐振频率点分别为：110MHz、335MHz、1.075GHz。当我们把接地过孔的数量增加到28×28甚至以上时，系统谐振频率点已超过了3G适当添加接地过孔能够有效地提高系统谐振频率点，更能够让我们的系统安全可靠地工作更多的接地孔有更高的谐振点更多的接地孔有更高的谐振点低噪声电源地的设计低噪声电源地的设计第三部分平面分割技术平面层分割平面层分割特别是在数模混合设计中我们也常常用到单点相连，这里也把它叫着平面层分割的技术，其目的就是阻隔噪声的传播路径，以保护某区域较少受到干扰但是分割必然会带来走线跨分割等负作用，怎样分