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EMIzhiwai
，wendingkekaodedianyuangongyingyechengweishejizhemenzhongdianyanjiudefangxiangzhiyi。youqidangkaiguanqijianshumubuduanzengjia
，hexindianyabuduanjianxiaodeshihou，dianyuandebodongwangwanghuigeixitongdailaizhimingdeyingxiang，yushirenmentichulexindemingci：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tu1(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(shi)V=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

；erdianyuancishizhiyoudianludeshunjianduanlusuoyinqidedianliutubian
，youyubucunzaixiangdianrongchongdianershidianliutubianxiangduiyushangshengyanlaishuoyaoxiao。congduiyufeimendedianlujinxingfenxikeyizhidao，zaochengdianyuanbuwendingdegenyuanzhuyaozaiyulianggefangmian：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PCB中zhong，當dang大da量liang的de芯xin片pian同tong時shi開kai啟qi或huo關guan閉bi時shi，在zai電dian路lu中zhong就jiu會hui產chan生sheng較jiao大da的de瞬shun態tai電dian流liu，同tong時shi由you於yu電dian源yuan線xian和he地di線xian上shang電dian感gan電dian阻zu的de存cun在zai，就jiu會hui在zai兩liang者zhe之zhi上shang產chan生sheng電dian壓ya波bo動dong。了le解jie到dao電dian源yuan完wan整zheng性xing問wen題ti的de本ben質zhi
，要yao解jie決jue電dian源yuan完wan整zheng性xing問wen題ti，對dui於yu高gao速su器qi件jian來lai說shuo，通tong過guo加jia去qu耦ou電dian容rong來lai去qu掉diao它ta的de高gao頻pin噪zao聲sheng分fen量liang
，這zhe樣yang就jiu減jian少shao信xin號hao的de瞬shun變bian時shi間jian；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PCBshejizhong

，quoudianrongqizhezhongyaodezuoyong，tadefangzhiweizhiyehenzhongyao。zheshiyinweizaidianyuanxiangfuzaiduanshijiangongdianzhong，dianrongzhongdecunchudianhekefangzhidianyaxiajiang
，rudianrongfangzhiweizhibuqiadangkeshixianzukangguoda，yingxianggongdian。tongshidianrongzaiqijiandegaosuqiehuanshikelvchugaopinzaosheng。womenzaigaosuPCB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。

duiyuquoudianrongdefangzhi，ruguoweizhibudangdehuahuizengdaxianluzukang

，jiangdiqixiezhenpinlvtongshiyingxianggongdian。quoudianronghexinpianhuodianyuanzhongdediangankeyitongguogongshi：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)
，這(zhe)樣(yang)就(jiu)形(xing)成(cheng)了(le)小(xiao)環(huan)路(lu)，不(bu)僅(jin)可(ke)以(yi)減(jian)少(shao)電(dian)源(yuan)完(wan)整(zheng)性(xing)的(de)問(wen)題(ti)，也(ye)能(neng)夠(gou)減(jian)少(shao)環(huan)路(lu)的(de)射(she)頻(pin)輻(fu)射(she)，避(bi)免(mian)引(yin)起(qi)其(qi)它(ta)的(de)電(dian)磁(ci)兼(jian)容(rong)性(xing)問(wen)題(ti)。但(dan)在(zai)當(dang)今(jin)高(gao)集(ji)成(cheng)度(du)的(de)PCB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0歐ou電dian阻zu通tong過guo一yi點dian接jie地di，最zui後hou與yu電dian源yuan地di相xiang連lian形xing成cheng回hui路lu。這zhe樣yang就jiu把ba數shu模mo兩liang部bu分fen噪zao聲sheng進jin行xing了le隔ge離li，但dan同tong時shi也ye引yin進jin了le問wen題ti
，由you於yu地di層ceng的de分fen隔ge破po壞huai了le地di層ceng的de連lian續xu性xing，阻zu礙ai了le信xin號hao的de小xiao環huan路lu回hui路lu，這zhe就jiu使shi信xin號hao回hui路lu阻zu抗kang增zeng大da
，增zeng加jia了le出chu現xian電dian源yuan完wan整zheng性xing問wen題ti的de可ke能neng

，同tong時shi大da回hui路lu的de返fan回hui路lu徑jing也ye增zeng大da了le回hui路lu的de射she頻pin輻fu射she和he板ban間jian的de電dian磁ci兼jian容rong性xing。為wei了le避bi免mian以yi上shang的de問wen題ti
，在zai數shu字zi器qi件jian和he模mo擬ni器qi件jian混hun合he布bu局ju中zhong
，我wo們men提ti倡chang采cai用yong統tong一yi地di，就jiu是shi將jiang數shu字zi器qi件jian和he模mo擬ni器qi件jian分fen區qu布bu局ju，而er地di則ze不bu進jin行xing分fen隔ge。合he理li地di對dui數shu模mo器qi件jian進jin行xing布bu局ju，通tong過guo基ji爾er霍huo夫fu定ding律lv我wo們men知zhi
，高gao頻pin下xia電dian路lu地di返fan回hui路lu徑jing將jiang沿yan著zhe最zui小xiao阻zu抗kang，即ji最zui小xiao的de環huan路lu麵mian積ji返fan回hui，數shu字zi器qi件jian和he模mo擬ni器qi件jian的de返fan回hui路lu徑jing也ye將jiang分fen別bie在zai數shu字zi器qi件jian和he模mo擬ni器qi件jian所suo對dui應ying的de鏡jing像xiang路lu徑jing返fan回hui
，它ta們men之zhi間jian不bu會hui引yin起qi幹gan擾rao。

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(hua)PCB的EMC設計具有一定的價值。