中心議題：

• PCB電路中的電源噪聲起因及分析
• PCB電路設計中的去耦電容應用

解決方案：

• PCB電路設計中去耦電容放置方案
• PCB電路電源回路設計方案

隨著PCB設計複雜度的逐步提高，對於信號完整性的分析除了反射，串擾以及EMI之zhi外wai，穩wen定ding可ke靠kao的de電dian源yuan供gong應ying也ye成cheng為wei設she計ji者zhe們men重zhong點dian研yan究jiu的de方fang向xiang之zhi一yi。尤you其qi當dang開kai關guan器qi件jian數shu目mu不bu斷duan增zeng加jia
，核he心xin電dian壓ya不bu斷duan減jian小xiao的de時shi候hou，電dian源yuan的de波bo動dong往wang往wang會hui給gei係xi統tong帶dai來lai致zhi命ming的de影ying響xiang，於yu是shi人ren們men提ti出chu了le新xin的de名ming詞ci：電源完整性，簡稱PI(powerintegrity)。當今國際市場上，IC設計比較發達，但電源完整性設計還是一個薄弱的環節。因此本文提出了PCB板中電源完整性問題的產生，分析了影響電源完整性的因素並提出了解決PCB板中電源完整性問題的優化方法與經驗設計
，具有較強的理論分析與實際工程應用價值。

電源噪聲的起因及分析

圖1(a)中的電路圖為一個三輸入與非門的結構圖，因為與非門屬於數字器件，它是通過“1”和“0”電平的切換來工作的。隨著IC技(ji)術(shu)的(de)不(bu)斷(duan)提(ti)高(gao)，數(shu)字(zi)器(qi)件(jian)的(de)切(qie)換(huan)速(su)度(du)也(ye)越(yue)來(lai)越(yue)快(kuai)，這(zhe)就(jiu)引(yin)進(jin)了(le)更(geng)多(duo)的(de)高(gao)頻(pin)分(fen)量(liang)，同(tong)時(shi)回(hui)路(lu)中(zhong)的(de)電(dian)感(gan)在(zai)高(gao)頻(pin)下(xia)就(jiu)很(hen)容(rong)易(yi)引(yin)起(qi)電(dian)源(yuan)波(bo)動(dong)。如(ru)在(zai)圖(tu)1(a)中zhong
，當dang與yu非fei門men輸shu入ru全quan為wei高gao電dian平ping時shi，電dian路lu中zhong的de三san極ji管guan導dao通tong
，電dian路lu瞬shun間jian短duan路lu
，電dian源yuan向xiang電dian容rong充chong電dian，同tong時shi流liu入ru地di線xian。此ci時shi由you於yu電dian源yuan線xian和he地di線xian上shang存cun在zai寄ji生sheng電dian感gan，由you公gong式shiV=LdI/dt可知，這將在電源線和地線上產生電壓波動，如圖1(b)中所示的電平上升沿所引入的ΔI噪聲。當與非門輸入為低電平時
，此時電容放電，將在地線上產生較大的ΔI噪聲
；而er電dian源yuan此ci時shi隻zhi有you電dian路lu的de瞬shun間jian短duan路lu所suo引yin起qi的de電dian流liu突tu變bian，由you於yu不bu存cun在zai向xiang電dian容rong充chong電dian而er使shi電dian流liu突tu變bian相xiang對dui於yu上shang升sheng沿yan來lai說shuo要yao小xiao。從cong對dui與yu非fei門men的de電dian路lu進jin行xing分fen析xi可ke以yi知zhi道dao，造zao成cheng電dian源yuan不bu穩wen定ding的de根gen源yuan主zhu要yao在zai於yu兩liang個ge方fang麵mian：一是器件高速開關狀態下，瞬態的交變電流過大；二是電流回路上存在的電感。所謂地電源完整性問題是指在高速PCBzhong，dangdaliangdexinpiantongshikaiqihuoguanbishi，zaidianluzhongjiuhuichanshengjiaodadeshuntaidianliu
，tongshiyouyudianyuanxianhedixianshangdiangandianzudecunzai

，jiuhuizailiangzhezhishangchanshengdianyabodong。lejiedaodianyuanwanzhengxingwentidebenzhi
，yaojiejuedianyuanwanzhengxingwenti，duiyugaosuqijianlaishuo，tongguojiaquoudianronglaiqudiaotadegaopinzaoshengfenliang，zheyangjiujianshaoxinhaodeshunbianshijian；對於回路中所存在的電感來說，則要從電源的分層設計來考慮。


去耦電容的應用

在高速PCB設she計ji中zhong，去qu耦ou電dian容rong起qi著zhe重zhong要yao的de作zuo用yong

，它ta的de放fang置zhi位wei置zhi也ye很hen重zhong要yao。這zhe是shi因yin為wei在zai電dian源yuan向xiang負fu載zai短duan時shi間jian供gong電dian中zhong，電dian容rong中zhong的de存cun儲chu電dian荷he可ke防fang止zhi電dian壓ya下xia降jiang
，如ru電dian容rong放fang置zhi位wei置zhi不bu恰qia當dang可ke使shi線xian阻zu抗kang過guo大da

，影ying響xiang供gong電dian。同tong時shi電dian容rong在zai器qi件jian的de高gao速su切qie換huan時shi可ke濾lv除chu高gao頻pin噪zao聲sheng。我wo們men在zai高gao速suPCB設計中
，一般在電源的輸出端和芯片的電源輸入端各加一個去耦電容，其中靠近電源端的電容值一般較大（如10μF），這是因為PCB中一般用的是直流電源，為了濾除電源噪聲電容的諧振頻率可以相對較低；同時大電容可以確保電源輸出的穩定性。對於芯片接電源的引腳處所加的去耦電容來說，其電容值一般較小（如0.1μF），這是因為在高速芯片中，噪聲頻率一般都比較高

，這就要求所加去耦電容的諧振頻率要高，即去耦電容的容值要小。

對dui於yu去qu耦ou電dian容rong的de放fang置zhi，如ru果guo位wei置zhi不bu當dang的de話hua會hui增zeng大da線xian路lu阻zu抗kang
，降jiang低di其qi諧xie振zhen頻pin率lv同tong時shi影ying響xiang供gong電dian。去qu耦ou電dian容rong和he芯xin片pian或huo電dian源yuan中zhong的de電dian感gan可ke以yi通tong過guo公gong式shi：求出，在公式中，l：電容與芯片間的線長；r：線半徑；d：電源線與地之間的距離。

由此可以得出，要減少電感L
，則必須減少I和d，即減少去耦電容和芯片所形成的環路麵積，也就是要求電容與芯片盡可能靠近芯片器件。

電源回路的設計

要保證電源完整性
，良好的電源分配網絡是必不可少的。首先對電源線和地線的設計，要保證線寬加粗(如寬為40mil,而普通信號線為10mil)
，這樣才能盡可能地減少其阻抗值。隨著芯片的速度越來越高，根據5/5規則，越來越多地使用多層板，通過專用的電源層進行供電和專用的地層構成回路，這樣就減少了線路的電感。

圖3中所示的是一個四層板的信號回路圖
，高頻信號將從地層返回，在地層理想的情況下(沒有分隔和過多的過孔)，高頻信號線將在地層上形成射頻的鏡像回路，返回電流將主要從高頻信號在地層上的鏡像路徑返回
，而在PCB中
，信號線與地層之間的距離非常小(大約是0.3mm)
，zheyangjiuxingchenglexiaohuanlu，bujinkeyijianshaodianyuanwanzhengxingdewenti，yenenggoujianshaohuanludeshepinfushe，bimianyinqiqitadediancijianrongxingwenti。danzaidangjingaojichengdudePCB設she計ji中zhong，由you於yu芯xin片pian集ji成cheng度du過guo高gao，過guo孔kong過guo密mi，多duo電dian源yuan供gong電dian及ji數shu字zi器qi件jian及ji模mo擬ni器qi件jian共gong存cun所suo引yin起qi的de電dian源yuan層ceng和he地di層ceng的de分fen隔ge等deng因yin素su
，要yao保bao證zheng電dian源yuan回hui路lu的de暢chang通tong無wu阻zu則ze是shi很hen難nan的de。

如圖4所示
，在數字器件和模擬器件共存的高速PCB中
，為了防止數字器件所帶來的高頻噪聲對模擬器件造成影響，把數字地和模擬地進行分隔
，分立的數字地和模擬地用0oudianzutongguoyidianjiedi，zuihouyudianyuandixianglianxingchenghuilu。zheyangjiubashumoliangbufenzaoshengjinxinglegeli
，dantongshiyeyinjinlewenti，youyudicengdefengepohuailedicengdelianxuxing，zuailexinhaodexiaohuanluhuilu，zhejiushixinhaohuiluzukangzengda，zengjialechuxiandianyuanwanzhengxingwentidekeneng，tongshidahuiludefanhuilujingyezengdalehuiludeshepinfushehebanjiandediancijianrongxing。weilebimianyishangdewenti
，zaishuziqijianhemoniqijianhunhebujuzhong，womentichangcaiyongtongyidi，jiushijiangshuziqijianhemoniqijianfenqubuju
，erdizebujinxingfenge。helididuishumoqijianjinxingbuju
，tongguojierhuofudinglvwomenzhi
，gaopinxiadianludifanhuilujingjiangyanzhezuixiaozukang

，jizuixiaodehuanlumianjifanhui
，shuziqijianhemoniqijiandefanhuilujingyejiangfenbiezaishuziqijianhemoniqijiansuoduiyingdejingxianglujingfanhui，tamenzhijianbuhuiyinqiganrao。

對於高集成度的PCB設計中，由於信號線的走線可能比較複雜
，形成的回路麵積可能比較大。如圖5
，在(zai)四(si)層(ceng)板(ban)中(zhong)，某(mou)信(xin)號(hao)源(yuan)的(de)信(xin)線(xian)在(zai)頂(ding)層(ceng)經(jing)過(guo)地(di)層(ceng)和(he)電(dian)源(yuan)層(ceng)後(hou)從(cong)地(di)層(ceng)傳(chuan)輸(shu)，最(zui)後(hou)返(fan)回(hui)。在(zai)這(zhe)個(ge)傳(chuan)輸(shu)路(lu)徑(jing)中(zhong)，高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)線(xian)所(suo)形(xing)成(cheng)的(de)信(xin)號(hao)回(hui)路(lu)非(fei)常(chang)大(da)。為(wei)了(le)解(jie)決(jue)這(zhe)個(ge)問(wen)題(ti)，我(wo)們(men)在(zai)靠(kao)近(jin)信(xin)號(hao)線(xian)的(de)附(fu)近(jin)
，在(zai)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)地(di)層(ceng)之(zhi)間(jian)加(jia)了(le)一(yi)個(ge)電(dian)容(rong)。這(zhe)樣(yang)
，對(dui)於(yu)高(gao)頻(pin)信(xin)號(hao)來(lai)說(shuo)，頂(ding)層(ceng)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)在(zai)地(di)層(ceng)上(shang)將(jiang)會(hui)產(chan)生(sheng)一(yi)個(ge)鏡(jing)像(xiang)回(hui)路(lu)，而(er)地(di)層(ceng)的(de)信(xin)號(hao)線(xian)將(jiang)在(zai)電(dian)源(yuan)層(ceng)上(shang)產(chan)生(sheng)一(yi)條(tiao)鏡(jing)像(xiang)回(hui)路(lu)，這(zhe)兩(liang)條(tiao)鏡(jing)像(xiang)回(hui)路(lu)將(jiang)與(yu)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)地(di)層(ceng)之(zhi)間(jian)的(de)電(dian)容(rong)構(gou)成(cheng)回(hui)路(lu)
，這(zhe)樣(yang)我(wo)們(men)就(jiu)盡(jin)可(ke)能(neng)地(di)利(li)用(yong)電(dian)源(yuan)層(ceng)和(he)地(di)層(ceng)作(zuo)為(wei)回(hui)路(lu)
，減(jian)少(shao)了(le)返(fan)回(hui)環(huan)路(lu)麵(mian)積(ji)，從(cong)而(er)減(jian)少(shao)了(le)產(chan)生(sheng)電(dian)源(yuan)完(wan)整(zheng)性(xing)及(ji)板(ban)間(jian)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)問(wen)題(ti)地(di)可(ke)能(neng)性(xing)。

結束語

現今高速數字電路的設計趨向於複雜
，多電源的應用
、電源電平的降低

、芯片的高反應速度和高敏感度以及PCB的de高gao集ji成cheng度du所suo帶dai來lai的de設she計ji影ying響xiang

，板ban內nei的de電dian源yuan完wan整zheng性xing問wen題ti也ye越yue來lai越yue嚴yan重zhong且qie受shou到dao廣guang泛fan的de重zhong視shi。因yin此ci本ben文wen通tong過guo對dui電dian源yuan完wan整zheng性xing問wen題ti的de分fen析xi提ti出chu了le其qi產chan生sheng因yin素su，並bing就jiu電dian源yuan完wan整zheng性xing提ti出chu了le一yi些xie設she計ji方fang法fa，這zhe對dui於yu優you化huaPCB的EMC設計具有一定的價值。