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PCB打樣設(shè)計(jì)中的電源信號(hào)完整性的考慮

發(fā)表時(shí)間:2019/07/05 9:24:55  作者:陳超義  來(lái)源:陳超義  瀏覽量:500
?       在電路設(shè)計(jì)中,一般我們很關(guān)心信號(hào)的質(zhì)量問(wèn)題,但有時(shí)我們往往局限在信號(hào)線上進(jìn)行研究,而把電源和地當(dāng)成理想的情況來(lái)處理,雖然這樣做能使問(wèn)題簡(jiǎn)化,但在高速設(shè)計(jì)中,這種簡(jiǎn)化已經(jīng)是行不通的了。盡管電路設(shè)計(jì)比較直接的結(jié)果是從信號(hào)完整性上表現(xiàn)出來(lái)的,但我們絕不能因此忽略了電源完整性設(shè)計(jì)。因?yàn)殡娫赐暾灾苯佑绊懽罱KPCB板的信號(hào)完整性。電源完整性和信號(hào)完整性二者是密切關(guān)聯(lián)的,而且很多情況下,影響信號(hào)畸變的主要原因是電源系統(tǒng)。例如,地反彈噪聲太大、去耦電容的設(shè)計(jì)不合適、回路影響很嚴(yán)重、多電源/地平面的分割不好、地層設(shè)計(jì)不合理、電流不均勻等等。
      1) 去耦電容
      我們都知道在電源和地之間加一些電容可以降低系統(tǒng)的噪聲,但是到底在電路板上加多少電容?每個(gè)電容的容值多大合適?每個(gè)電容放在什么位置更好?類似這些問(wèn)題我們一般都沒(méi)有去認(rèn)真考慮過(guò),只是憑設(shè)計(jì)者的經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行,有時(shí)甚至認(rèn)為電容越少越好。在高速設(shè)計(jì)中,我們必須考慮電容的寄生參數(shù),定量的計(jì)算出去耦電容的個(gè)數(shù)以及每個(gè)電容的容值和放置的具體的位置,確保系統(tǒng)的阻抗在控制范圍之內(nèi),一個(gè)基本的原則是需要的去耦電容,一個(gè)都不能少,多余的電容,一個(gè)也不要。
      2) 地反彈
      當(dāng)高速器件的邊緣速率低于0.5ns時(shí),來(lái)自大容量數(shù)據(jù)總線的數(shù)據(jù)交換速率特別快,當(dāng)它在電源層中產(chǎn)生足以影響信號(hào)的強(qiáng)波紋時(shí),就會(huì)產(chǎn)生電源不穩(wěn)定問(wèn)題。當(dāng)通過(guò)地回路的電流變化時(shí),由于回路電感會(huì)產(chǎn)生一個(gè)電壓,當(dāng)上升沿縮短時(shí),電流變化率增大,地反彈電壓增加。此時(shí),地平面(地線)已經(jīng)不是理想的零電平,而電源也不是理想的直流電位。當(dāng)同時(shí)開(kāi)關(guān)的門(mén)電路增加時(shí),地反彈變得更加嚴(yán)重。對(duì)于128位的總線,可能有50_100個(gè)I/O線在相同的時(shí)鐘沿切換。這時(shí),反饋到同時(shí)切換的I/O驅(qū)動(dòng)器的電源和地回路的電感必須盡可能的低,否則,連到相同的地上的靜止將出現(xiàn)一個(gè)電壓毛刷。地反彈隨處可見(jiàn),如芯片、封裝、連接器或電路板上都有可能會(huì)出現(xiàn)地反彈,從而導(dǎo)致電源完整性問(wèn)題。
      從技術(shù)的發(fā)展角度來(lái)看,器件的上升沿將只會(huì)減少,總線的寬度將只會(huì)增加。保持地反彈在可接受的唯一方法是減少電源和地分布電感。對(duì)于,芯片,意味著,移到一個(gè)陣列晶片,盡可能多地放置電源和地,且到封裝的連線盡可能短,以減少電感。對(duì)于,封裝,意味著移動(dòng) 層封裝,使電源的地平面的間距更近,如在BGA封裝中用的。對(duì)于連接器,意味著使用更多的地引腳或重新設(shè)計(jì)連接器使其具有內(nèi)部的電源和地平面,如基于連接器的帶狀軟線。對(duì)于電路板,意味著使相鄰的電源和地平面盡可能地近。由于電感和長(zhǎng)度成正比,所以盡可能使電源和地的連線短將降低地噪聲。
      3) 電源分配系統(tǒng)
      電源完整性設(shè)計(jì)是一件十分復(fù)雜的事情,但是如何近年控制電源系統(tǒng)(電源和地平面)之間阻抗是設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。理論上講,電源系統(tǒng)間的阻抗越低越好,阻抗越低,噪聲幅度越小,電壓損耗越小。實(shí)際設(shè)計(jì)中我們可以通過(guò)規(guī)定最大的電壓和電源變化范圍來(lái)確定我們希望達(dá)到的目標(biāo)阻抗,然后,通過(guò)調(diào)整電路中的相關(guān)因素使電源系統(tǒng)各部分的阻抗(與頻率有關(guān))目標(biāo)阻抗去逼近。
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