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1、高速数字设计和信号完整性分析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电源分布系统设计n基本概念n设计目标n一般设计规则n多层板叠层结构n电流回路n去耦电容及其应用n噪声抑制上海傲普科技有限公司2电源分布系统设计基本概念n电源分布系统Power Distribution System（PDS）n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）n平面（Plane）为电流回路提供最低阻抗回路nPDS阻抗上海傲普科技有限公司3电源分布系统设计设计目标n为数字信号提供
2、稳定的电压参考n为逻辑电路正常工作提供电源上海傲普科技有限公司4电源分布系统设计为数字信号提供稳定的电压参考n为逻辑电路提供低阻抗的接地连接n为逻辑电路提供低阻抗的电源连接n为电源和地提供低交流阻抗的通路公共通路阻抗I+-VN上海傲普科技有限公司5电源分布系统设计为数字电路正常工作提供电源n公共通路阻抗将产生电源和地电位差nXPSW = ESR + 2f ESLnESR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。nESL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6电源分布系统设计电源分布系统寄
3、生电感n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，innHn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nHHDHWN=2上海傲普科技有限公司7电源分布系统设计一般设计规则（1）nPDS必须为电路正常工作提供稳定的、无噪声的电压和电流n为数字信号提供稳定的电压参考n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n电源、地平面（线）之间应具有尽可能小的交流阻抗nPDS必须为信号提供无干扰的回流通路n电源、地平面应同时具
4、备空间电场的屏蔽作用上海傲普科技有限公司8电源分布系统设计一般设计规则（2）n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n“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n配置足够的、均匀分布的去耦电容n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PDSn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PDSn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9电源分布系统设计多层板的叠层结构n叠层结构的设计主要考虑以下因素n稳定、低噪声、低交流阻抗的PDSn传输线
5、结构要求n传输线特性阻抗要求n串扰噪声抑制n空间电磁干扰的吸收和屏蔽n结构对称，防止变形n在高速数字设计中的一般规则是n电源层数 + 地层数 = 信号层数n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n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10电源分布系统设计多层板的叠层实例基材填充材料表面层A电源层0.5mm0.1mm0.15mm0.1mm0.1mm0.5mm0.15mm0.15mm0.15mm信号层（X方向）电源层地层地层表面层B信号层（Y方向）信号层（X方向）信号层（Y方向）表面层A电源层信号层（X方向）信号层（Y方向）地层表面层B0.15mm（可调
6、整）0.1mm0.1mm1.0mm0.15mm（可调整）上海傲普科技有限公司11电源分布系统设计电流回路（1）n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12电源分布系统设计电流回路（2）n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
7、更易于受外界干扰的影响。V/mA 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13电源分布系统设计电流回路（3）n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。参考平面的开槽DW上海傲普科技有限公司14电源分布系统设计电流回路（4）n连接器的隔离盘 连接器在参考平面上不适当的隔离盘，将增加信号的环路面积。上海傲普科技有限公司15电源分布系统设计电流回路（5）n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。n图3中：nH（长线）（短线）（长线）（短线）上海傲普科技有限公司16电源分布系统
8、设计去耦电容及其应用n去耦电容n低频大容量电容（bulk）n高频去耦电容n多层陶瓷片式电容的材料选择n表面贴装电容的布局和布线n多层PCB中的平面电容n埋入式电容上海傲普科技有限公司17电源分布系统设计去耦电容n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n完成去耦作用的前提，是保证在电源分布系统具有较低的交流阻抗上海傲普科技有限公司18电源分布系统设计低频大容量电容（bulk）n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n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n放置位置n时钟电路附近n输入/输出连接处n大功耗电
9、路附近n远离电源馈入点的位置上海傲普科技有限公司19电源分布系统设计低频大容量电容的选择步骤n计算电路的最大交变电流（I）n给出电路所允许的最大电源电位差噪声（ V）n计算电路所允许的最大XMAX = V / In给出电源、地分布线的寄生电感LPSWn计算电源、地分布线的最高响应频率FPSWn计算去耦所需要的最小电容值Cbypassn根据去耦电容的引脚电感LC，计算其最高响应频率Fbypass上海傲普科技有限公司20电源分布系统设计低频大容量电容的选择实例n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
10、傲普科技有限公司21电源分布系统设计高频去耦电容n高频去耦电容为电路提供本地的低阻抗直流源+CLDCLPDSCbypass-n高频去耦电容的阻抗必须小于XPSW上海傲普科技有限公司22电源分布系统设计选择高频去耦电容的一般原则n自谐振频率需抑制的时钟谐波频率n提供电路瞬态工作能量上海傲普科技有限公司23电源分布系统设计高频去耦电容的选择步骤n计算系统在高频下正常工作所能允许的电感Ltotn给出电容的引脚电感LCn计算并联电容的数目Nn计算并联电容值CParalleln计算每一个电容的值Celement上海傲普科技有限公司24电源分布系统设计高频去耦电容的选择实例n某5V CMOS电路板有100
11、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25电源分布系统设计多层陶瓷片式电容的材料选择n通常使用的材料有三种nNP0nX7RnZ5UnX7R是去耦应用的最佳选择n介电常数介于NP0和Z5U之间n相对于Z5U，具有较好的温度和电压系数n相对于NP0，具有较高的ESR和较差的温度和电压系数n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26电源分布系统设计表面贴装电容的布局和布线n不同的布局，产生的寄生电感的数值相差很大n应采用较大的过孔n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27电源分布
12、系统设计多层PCB中的平面电容n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n平面电容具有最好的高频特性drA 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= 100pF/in2上海傲普科技有限公司28电源分布系统设计埋入式电容原理C =0.225 x A x r dAPowerDielectricGroundd若若r = 90，则则C = 5nf/in2上海傲普科技有限公司29电源分布系统设计埋入式电容设计1 - Comp2 - Signal3 - Po
13、wer4 - Ground5 - Signal6 - WireCORECORECap CORE6 Layer / 3 Core Construction上海傲普科技有限公司30电源分布系统设计高速数字设计中典型的PDS上海傲普科技有限公司31电源分布系统设计噪声抑制n系统电源变化n系统电源的电位差n系统逻辑地的电位差n地电平抖动上海傲普科技有限公司32电源分布系统设计地电平抖动（1）n地电平抖动Ground Bounce（GB）nGB的起因L1L2L3ICLRL芯片内部电源PCB电源芯片内部地PCB地上海傲普科技有限公司33电源分布系统设计地电平抖动（2）nGB现象上海傲普科技有限公司34电源分布系统设计地电平抖动（3）n抑制GB的一般方法n采用较小的封装形式n采用适当的电源、地针数目和合理布局n减小输出电压摆幅n限制同时同相转换状态的输出单元数目n增加传输线的特性阻抗n减少容性负载n在输出端串接阻尼电阻上海傲普科技有限公司35电源分布系统设计谢谢 谢谢上海傲普科技有限公司36电源分布系统设计
