PCB設計誤區——“電源加磁珠”，想說愛你不容易（下）
發布時間：2015-03-16 來源：吳均 一博科技 責任編輯：sherryyu
【導讀】通過上一篇文章，我們知道電容在不同的使用條件，會呈現“全局特性”與“局部特性”。本節介紹多層板設計的時候，電容傾向於呈現“全局特性”，“電源加磁珠”的設計方法，會影響電容在全局範圍內起作用。同時電源種類太多，還會帶來其他設計問題。
承前：討論濾波電容的位置與PDN阻抗的關係，提出“全局電容”與“局部電容”的概念。能看到當電容呈現“全局特性”的時候，電容的位置其實沒有想象中那麼重要。
本節：多層板設計的時候，電容傾向於呈現“全局特性”，“電源加磁珠”的設計方法，會影響電容在全局範圍內起作用。同時電源種類太多，還會帶來其他設計問題。
通過上一篇文章，我們知道電容在不同的使用條件，會呈現“全局特性”與“局部特性”。
避免研究公式的繁瑣，我們來看看實際仿真結果。為了便於研究，設計了一個仿真案例，如圖1所示：Case1是電容放在芯片管腳附近，Case1b是電容遠離芯片管腳放置。這時候Case1b比Case1多出一對電源地過孔，為了同等條件下隻比較電容的位置影響，我們增加Case1a案例，在和Case1b電容Fan out同樣的位置上增加一對電源地過孔。
圖1
圖1的4、5兩層為電源地耦合的平麵。先來看看電源地距離為3mil時的情況：當電源地緊耦合時，a和b兩個Case的PDN曲線基本重合，說明電容的諧振頻率沒有變化。也就是說，電容位置好像幾乎沒有任何影響，反而是Case1的諧振頻率偏向於低頻，說明Case1的安裝電感反而更大一些。這個容易理解，主要是多出來的一對電源地過孔導致的。
圖2
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電源地距離在10mil以內時，以上結論都類似。但是當電源地距離在20mil甚至50mil時，情況稍有變化。如圖3所示，電源地距離變大時，a和b兩個Case的PDN曲線開始偏離，Case1b的諧振頻率向低頻偏移，說明電容遠離芯片管腳的時候，電容的安裝電感明顯變大。
圖3
所以，我們可以得出簡單的結論：
典型的8層以上單板，或者6層板采用3個電源地平麵，電源地相對緊耦合的設計，這時候板上的濾波電容呈現“全局特性”，也就是說電容的位置不是很“重要”，電容在全局起作用。雙麵板四層板，以及6層板電源地距離比較遠，相對鬆耦合的時候，板上的濾波電容傾向於“局部特性”，電容的位置比較重要，最好能靠近芯片管腳放置。
當電源供電網絡不使用電源地平麵來設計的時候，電容更傾向於“局部特性”。如PLL電源的電容，如DDR3設計中Vref電源的電容，都希望嚴格把相應的電容靠近芯片的管腳，甚至最好能做到設計時指定電源必須從濾波電容進入芯片管腳。
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同樣的，對於常規數字電源，如3.3V，2.5V等IO電源，如果我們對每一個芯片都使用磁珠隔離之後單獨供電，那麼電容就失去了“全局”作用。最直接的一個負麵作用就是導致設計需要增加更多的濾波電容。或者某個芯片的電容數量與種類不夠，導致電源軌道噪聲變大。
就算是電容的數量不是問題，電源噪聲可控，“濫用”磁珠還會造成其他設計問題。圖4中的方案三是現在非常流行的12層板層疊設計。大家選擇這樣的層疊最主要的原因就是電源的分割太破碎，這樣的電源層如果作為參考平麵的話，會比較難避免“跨分割”問題（單麵跨電源分割問題，我們會另外有專題討論）。方案三的層疊避免了電源分割多的問題，卻帶來更加惡劣的層間串擾等其他問題。
電源種類多是設計的現狀，“濫用”磁珠會“雪上加霜”的讓電源種類更多。加大電源地平麵設計的難度。而增加的磁珠，其實並沒有給電源噪聲帶來好處。
圖4
總結：常規的數字電源，在采用多層板設計，電源地平麵緊耦合的情況下，不建議“濫用”磁珠，保持電容的“全局”特性起作用。
需要使用磁珠的場合大致分為兩種
1、“特別”保護自己，如PLL電源等
2、“關愛”他人，自身的幹擾性比較強，避免EMI問題，如強驅動的時鍾芯片等。
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