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1、高速数字设计和信号完整性分析,电源分布系统设计,上海傲普科技有限公司,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,2,电源分布系统设计,基本概念设计目标一般设计规则多层板叠层结构电流回路去耦电容及其应用噪声抑制,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,3,基本概念,电源分布系统Power Distribution System（PDS）当电源、地层之间存在足够的去耦电容后，其交流阻抗极小，交流信号可以在任何一层上传输。换言之，对于交流信号而言，电源、地层是没有区别的，可以统称为平面（Plane）平面（Plane）为电流回路提供最低阻抗回路PDS阻抗,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,4,设计
2、目标,为数字信号提供稳定的电压参考为逻辑电路正常工作提供电源,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,5,为数字信号提供稳定的电压参考,为逻辑电路提供低阻抗的接地连接为逻辑电路提供低阻抗的电源连接为电源和地提供低交流阻抗的通路,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,6,为数字电路正常工作提供电源,公共通路阻抗将产生电源和地电位差XPSW=ESR+2f ESLESR电源分布系统寄生电阻。低频或直流情况下，是造成电源电位差的主要原因。ESL电源分布系统寄生电感。高频情况下，交变电流将在寄生电感上产生电源电位差，其幅度远大于寄生电阻的影响。,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,7,电源分布系统
3、寄生电感,两条平行的电源和地圆导线,电源分布线长度，inH 电源分布线平均间距，inD 电源分布线直径，in,nH,多层平行堆叠的扁平带状的电源和地线,电源分布线长度，inH 电源分布线平均间距，inW 电源分布线宽度，inN 电源和地层数,nH,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,8,一般设计规则（1）,PDS必须为电路正常工作提供稳定的、无噪声的电压和电流为数字信号提供稳定的电压参考对于每一个电路来说，PDS应当被视为独立的、相互隔离的，以保证噪声不能通过PDS耦合到其他电路电源、地平面（线）之间应具有尽可能小的交流阻抗PDS必须为信号提供无干扰的回流通路电源、地平面应同时具备空间电场
4、的屏蔽作用,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,9,一般设计规则（2）,尽可能采用平面设计，或保持电源和地线尽可能短和宽，避免“梳状”地线“背靠背”的电源和地层设计，具有最小的PDS阻抗，并具备高频去耦作用，能有效抑制高频噪声配置足够的、均匀分布的去耦电容在数模混合设计中，应为数字电路和模拟电路分别提供独立的PDS大量的不同逻辑电平、不同噪声容限的电路（如TTL、ECL等）在混合设计中，应为它们分别提供独立的PDS不同的电源、地层应相对隔离，不直接叠压,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,10,多层板的叠层结构,叠层结构的设计主要考虑以下因素稳定、低噪声、低交流阻抗的PDS传输线结构要
5、求传输线特性阻抗要求串扰噪声抑制空间电磁干扰的吸收和屏蔽结构对称，防止变形在高速数字设计中的一般规则是电源层数+地层数=信号层数电源层和地层尽可能成对设计，并至少有一对是“背靠背”设计采用带状线结构，关键信号传输应采用对称带状线,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,11,多层板的叠层实例,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,12,电流回路（1）,基本概念 所有电流必须有流回源的回路。该回路的产生会自动寻找最小阻抗的路径。通常在具有电源/地层平面的PCB结构中，会直接在信号线下方的平面上（电源或地）。该回流信号（电流）与原信号（电流）幅度相同、方向相反。,I0 信号总电流，AH 信号线到
6、参考平面的距离，mD 观测点到信号线中心的垂直距离，mi(D)观测点的回流电流密度，A/in,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,13,电流回路（2）,环路面积 信号和回流信号通路构成了一个闭合回路。随着环路面积的增大，将产生更多的差模辐射噪声，且更易于受外界干扰的影响。,V/m,A 环路面积，cm2IL 环路电流，Af 频率，MHzR 观测点到电场中心的距离，m,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,14,电流回路（3）,参考平面的开槽 不适当的参考平面的开槽，将增加信号的环路面积。,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,15,电流回路（4）,连接器的隔离盘 连接器在参考平面上不适当
7、的隔离盘，将增加信号的环路面积。,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,16,电流回路（5）,信号环路面积增加，将产生额外的感抗，减慢信号边沿速率，并在临近信号线上产生互感串扰。图3中：,nH,（长线）,（短线）,（长线）,（短线）,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,17,去耦电容及其应用,去耦电容低频大容量电容（bulk）高频去耦电容多层陶瓷片式电容的材料选择表面贴装电容的布局和布线多层PCB中的平面电容埋入式电容,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,18,去耦电容,去耦作用 消除高频开关电路产生的RF能量，为电路提供一个低阻抗本地直流源完成去耦作用的前提，是保证在电源分布系统具
8、有较低的交流阻抗,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,19,低频大容量电容（bulk）,在所有的信号管脚开关同时处于最大的容性负载条件时，提供稳定的直流电压、电流通常选用大容量钽电容，电压额定值一般为电路额定工作电压的5倍放置位置时钟电路附近输入/输出连接处大功耗电路附近远离电源馈入点的位置,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,20,低频大容量电容的选择步骤,计算电路的最大交变电流（I）给出电路所允许的最大电源电位差噪声（V）计算电路所允许的最大XMAX=V/I给出电源、地分布线的寄生电感LPSW计算电源、地分布线的最高响应频率FPSW计算去耦所需要的最小电容值Cbypass根据去耦电
9、容的引脚电感LC，计算其最高响应频率Fbypass,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,21,低频大容量电容的选择实例,某5V CMOS电路板有100个门，分别驱动10pF负载，边沿时间为5ns。电源分布线的电感为100nH,设电容引脚电感LC=5nH，则,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,22,高频去耦电容,高频去耦电容为电路提供本地的低阻抗直流源,+,CL,DC,LPDS,Cbypass,-,高频去耦电容的阻抗必须小于XPSW,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,23,选择高频去耦电容的一般原则,自谐振频率需抑制的时钟谐波频率提供电路瞬态工作能量,上海傲普科技有限公司,电源分
10、布系统设计,24,高频去耦电容的选择步骤,计算系统在高频下正常工作所能允许的电感Ltot给出电容的引脚电感LC计算并联电容的数目N计算并联电容值CParallel计算每一个电容的值Celement,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,25,高频去耦电容的选择实例,某5V CMOS电路板有100个门，分别驱动10pF负载，边沿时间为5ns。电源分布线的电感为100nH。设电容引脚电感LC=5nH。,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,26,多层陶瓷片式电容的材料选择,通常使用的材料有三种NP0X7RZ5UX7R是去耦应用的最佳选择介电常数介于NP0和Z5U之间相对于Z5U，具有较好的温度
11、和电压系数相对于NP0，具有较高的ESR和较差的温度和电压系数相同的封装下，电容值的范围比NP0宽,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,27,表面贴装电容的布局和布线,不同的布局，产生的寄生电感的数值相差很大应采用较大的过孔电容焊盘到过孔的引线应尽可能短和宽,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,28,多层PCB中的平面电容,多层PCB中直接相邻（“背靠背”）的电源和地平面构成了一个具有最小交流阻抗的平面电容平面电容具有最好的高频特性,d,r,A 平面重叠面积，in2d 间隔距离，inr 绝缘介质的介电常数,pF,例如：当采用FR-4材料（r=4.5)，d=0.01 in时，Cplane
12、=100pF/in2,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,29,埋入式电容原理,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,30,埋入式电容设计,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,31,高速数字设计中典型的PDS,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,32,噪声抑制,系统电源变化系统电源的电位差系统逻辑地的电位差地电平抖动,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,33,地电平抖动（1）,地电平抖动Ground Bounce（GB）GB的起因,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,34,地电平抖动（2）,GB现象,上海傲普科技有限公司,电源分布系统设计,35,地电平抖动（3）,抑制GB的一般方法采用较小的封装形式采用适当的电源、地针数目和合理布局减小输出电压摆幅限制同时同相转换状态的输出单元数目增加传输线的特性阻抗减少容性负载在输出端串接阻尼电阻,谢 谢,
