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PCB設(shè)計中最基礎(chǔ)、最重要但卻最容易被忽略的是電源傳輸系統(tǒng)(Power Delivery System，以下簡稱PDS)。從今天開始，與大家分享一系列與電源設(shè)計相關(guān)的話題。

電子設(shè)計行業(yè)中，最最常見的問題都與電源網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計不合理有關(guān)。90%以上的EMI問題，都是由PDS引起。

(資料圖)

本文會討論PDS的歷史、問題是如何引起的以及如何緩解。

電壓源與紋波

首先我們來看下理想的電源是什么樣的。理想的電源是電壓源，電壓源的輸出阻抗為0，也就是說無論負載如何變化，輸出的電壓始終是恒定不變的。再進一步說，無論電流的頻率如何變化，輸出的電壓仍應(yīng)該為恒定值：

很不幸，真實的電源并非如此。由于輸出阻抗的存在，會導(dǎo)致輸出的實際電壓發(fā)生變化。下圖為實際電源的等效示意圖：實際的電源可以等效為理想電壓源加一個串聯(lián)的輸出阻抗：

輸出阻抗會隨著頻率的變化而變化，在某些頻率阻抗較大而在某些頻率阻抗可能較低。當(dāng)負載電流變化時，輸出阻抗的存在會導(dǎo)致電壓降，使負載兩端的電壓不再為恒定值，這一Vdd電壓的變化稱為“紋波”。紋波如果較大，則Vdd電壓會降低而導(dǎo)致電路無法正常工作。另外，紋波大是大部分系統(tǒng)EMI問題的最主要根源。紋波會通過Vdd電源平面直接耦合到信號上。這也是為什么存在以下的經(jīng)驗法則：對于“關(guān)鍵信號”，只能用地平面作為參考，而非電源平面。另外，由于線性電源的紋波要明顯小于開關(guān)電源，高速串行接口的SERDES(SERializer串行器/DESerializer解串器的簡稱)一般只使用線性電源。

大家對紋波產(chǎn)生的原因經(jīng)常會有混淆。其實紋波并非是某種“神秘”源頭產(chǎn)生的噪聲，且必須通過“去耦”或者“旁路”的方式去除。紋波是由于電源輸出阻抗的存在以及負載電流的變化造成的。如果某一個電源軌道的紋波很嚴(yán)重，也就意味著PDS的阻抗在某一頻率太高了。解決的辦法就是減小這些頻率下的阻抗。最常見的做法就是添加“去耦電容”。這里強調(diào)一下，所謂“去耦”電容并沒有去除任何耦合的東西，它們只是通過充放電為開關(guān)的動作提供支持。一個更確切的名字是“庫倫桶”（Coulomb Bucket）。庫倫是電量的單位，“去耦”電容存貯了一定庫倫的電荷，當(dāng)負載電流變化（開關(guān)動作）時進行支援。明白了這個原理之后，接下去要做的就是計算出在某個頻率需要的電荷數(shù)，從而推斷出“去耦”電容的容值。

電容（或者說庫倫桶）

每個工程師都被要求在邏輯器件或模擬器件周圍擺放電容。大部分情況下，擺幾個？多大容值？如何擺？完成是參照器件的數(shù)據(jù)手冊，工程師并不知道其中的原理。但事實是，這些數(shù)據(jù)手冊中定義的電容數(shù)量及擺放位置未必經(jīng)過嚴(yán)格的驗證…..

對于任何一個電容來說，都會存在兩個寄生參數(shù)，寄生參數(shù)限制了電容為開關(guān)動作提供電荷的能力。下圖描述了一個理想電容，一個實際的電容以及實際電容阻抗隨頻率變化的曲線：

注意看一下，實際的電容可以等效為電容與一個電感（Lp）及一個電阻（Rp）的串聯(lián)。無論電容的容值多小，都會存在這兩個寄生參數(shù)，無法避免。

圖中還列出了兩個等式，分別用于計算不同頻率下L和C的阻抗?？梢钥吹剑谥绷髑闆r下（f=0），電容的阻抗Xc為無窮大，即電容不會對PDS造成任何影響；同時，電感的阻抗XL為0，也不會對PDS造成影響。當(dāng)頻率f變大時，Xc變小同時XL變大。當(dāng)達到諧振頻率Fr時，容抗Xc與感抗XL相互抵消，這時PDS負載中唯一可見阻抗就是寄生電阻Rp。也只有在這個頻率下，庫倫桶（去耦電容）在PDS中是最有效的。

如果低于Fr，電容呈現(xiàn)高阻抗，無法為負載提供電荷。如果高于Fr，電容開始表現(xiàn)得更像一個電感，該“電感”會與PCB的平面電容組成一個并聯(lián)調(diào)諧電路。并聯(lián)調(diào)諧電路在諧振頻率時會呈現(xiàn)高阻抗，這會導(dǎo)致較大的紋波。

**PDS****的阻抗Vs **頻率

當(dāng)設(shè)計PDS電源傳輸系統(tǒng)時，最重要的任務(wù)就是在盡可能寬的頻率范圍內(nèi)使其保持低阻抗。下圖展示了在Vdd和Vss之間擺放0.1uF及0.01uF的情況。藍色曲線是只擺放0.1uF電容時的阻抗曲線，可以看到在10MHz附近，阻抗最低；黃色曲線是只擺放0.01uF電容時的阻抗曲線，可以看到在13MHz附近，阻抗最低。紅色曲線則是同時擺放0.01uF及0.1uF電容時的阻抗曲線。

大部分芯片的數(shù)據(jù)手冊會建議在每個芯片電源引腳之間擺放若干以上容值的電容。從圖中可以看到，當(dāng)同時并聯(lián)0.01uF及0.1uF電容時，在6MHz到15MHz的區(qū)間，阻抗可以控制在0.1歐姆以下。但在這個區(qū)間之外，阻抗就會迅速變大。想象一下，當(dāng)頻率為100MHz時，1安培的電流變化就會產(chǎn)生0.5V的紋波。如果頻率更高，產(chǎn)生的紋波則會更大。

再給大家舉個例子，下圖展示了如果需要將PDS的阻抗控制在0.01Ohm，需要怎么使用去耦電容：

圖中左側(cè)的曲線是DC-DC的輸出阻抗；紫紅色曲線是兩個330uF鉭電容的阻抗曲線；紅色的是2個1uF的陶瓷電容；綠色是4個0.1uF的電容；藍色是8個0.01uF電容；棕色的是PCB的平面電容阻抗。Z-Total是合成之后的阻抗曲線。

以下列出了所有參與PDS計算的對象：

注意，該計算中并沒有考慮外接電容以及PCB平面電容的寄生電感。更復(fù)雜的計算方式以后另外討論。

負載與負載電流

在設(shè)計PDS前首先要考慮負載電流及其變化的原因。通常來說，邏輯電路負載變化主要來源于IC內(nèi)部的邏輯動作以及給傳輸線充電。其中，單端邏輯電路造成的瞬態(tài)電流較大。如果是信號總線中的每個信號正好同時從0變到1，其造成的瞬態(tài)電流最大。很多EMI問題以及系統(tǒng)不穩(wěn)定的問題就是這么造成的。

下圖是一個典型的帶端接的單端邏輯電路：

下圖是信號從0到1時電流及電壓的變化：

使用以上圖形可以了解兩件事：第一，電源需要先給傳輸線充電；其次，通過傅里葉變化，可以從時域到頻域，查看哪些頻率造成了這一現(xiàn)象。

下圖示例中的傳輸線長度為30cm，時鐘信號為30MHz：

可以看到，其中的頻率從80MHz一直到900MHz，但沒有一個是時鐘的諧波。其中最高的頻率是由信號的上升時間(1ns)造成；最低的頻率是由傳輸線的長度造成。

平面電容

大家都知道，隨著容值的增加，電容的體積也會不斷增大。由于尺寸和體積的限制，不可能無限制地在PCB上增加電容。所以很多情況下，都會使用平面電容，即增加一個電源平面Vdd以及一個地平面Vss，Vdd和Vss之間用很薄的電解質(zhì)隔開。電容的容值與電容極板的正對面積成正比，與極板的距離成反比，因此使用一對電源平面組成的電容容值很大。

下圖是電源平面容值（每平方英寸）與平面距離的對比曲線，介電常數(shù)為4（最常用的層壓板介電常數(shù)）：

其中紅色曲線為兩個完整的平面；黑色曲線為1/3平面區(qū)域被占用的情況（比如BGA器件的過孔）。

因此，在設(shè)計PCB的層疊結(jié)構(gòu)之前，首先要確定需要多大程度地抑制紋波，并以此計算出需要的電容值。然后才能決定是否需要增加平面對（使用平面電容）。

現(xiàn)代的PCB設(shè)計大量使用高速器件（上升時間非?？欤云矫骐娙莸氖褂梅浅３Ｒ?。下圖是個典型的10層板層疊結(jié)構(gòu)，其中3/4層，7/8層分別構(gòu)成了兩個電源平面，為了增大平面電容，兩個平面之間的距離只有3mil。

可見，增加電源平面對是抑制EMI、減小紋波最有效的方法。那在某些情況下，比如基于成本（增加兩個層PCB本身成本高很多）和厚度（比如為了做到超薄，手機的PCB必須達到指定厚度）的考量，無法多增加兩個額外的電源平面呢？

我們來看一個實際的例子，基于厚度的考慮，下圖的PCBMCIA PCB只能使用6層。其中1，3，4，6是信號層，只有2，5是電源層，且1，3，4，5沒有鋪銅。

其等效層疊結(jié)構(gòu)如下圖所示。Vdd和GND組成了一個間距是12mil的平面電容，其等效電容值約為500pF。

再看一下下面的示例，把1，3，4，6做了鋪銅處理：1，3層鋪了GND（灰色），4，6層鋪了Vdd（黑色）：

其等效層疊結(jié)構(gòu)如下圖所示，相當(dāng)于組成了5個電源平面對，每個電源平面對之間的間距只有4mil。其等效電容值為4100pF，遠高于不鋪銅情況的500pF。

可見，給信號層鋪銅也可以作為平面使用，雖然效果不是整個完整的平面層（請參考前文的圖表）。