PCB設(shè)計(jì)PDN設(shè)計(jì)指南
盡管我見(jiàn)過(guò)一些電路板在起火時(shí)冒煙，但PCB設(shè)計(jì)PDN不良造成的大多數(shù)問(wèn)題通常并沒(méi)有那么嚴(yán)重。但是，它們同樣具有破壞性，因?yàn)樵O(shè)計(jì)不當(dāng)?shù)?span style="box-sizing:border-box; margin:0px; padding:0px">PDN可能會(huì)導(dǎo)致間歇性問(wèn)題，從而徹底破壞電路板。讓我們深入了解如何使用您的PCB設(shè)計(jì)PDN設(shè)計(jì)指南來(lái)設(shè)計(jì)電路板的供電網(wǎng)絡(luò)。
電路板上的所有有源電子組件都需要電源才能運(yùn)行，為此，PCB需要設(shè)計(jì)良好的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（PDN）。一次，PCB上的集成電路設(shè)備只有一個(gè)電源和接地引腳，并且可以通過(guò)一條簡(jiǎn)單的寬走線輕松連接。然后，隨著電路密度的增加，將它們與多層板上的電源和接地層連接變得更加容易。但是隨著引腳數(shù)的增加以及IC的功率要求變得越來(lái)越復(fù)雜，電路板開(kāi)始遇到以下一些問(wèn)題：
電磁干擾（EMI）：電路變得越快，它對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部源的EMI越敏感。防止EMI問(wèn)題的一種方法是配置電源和接地層，以屏蔽傳入和傳出的干擾。
接地反彈：當(dāng)許多數(shù)字信號(hào)同時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為同時(shí)開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）或接地反彈的效應(yīng)。這可以在內(nèi)存或數(shù)據(jù)總線中看到，并且如果快速切換導(dǎo)致信號(hào)不返回其參考地電平，則它們將在其上方反彈。這種影響會(huì)在電路中產(chǎn)生不希望有的噪聲，從而有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的開(kāi)關(guān)并破壞設(shè)備的運(yùn)行。精心設(shè)計(jì)的PDN可以幫助控制參考地平面。
電源紋波：開(kāi)關(guān)也可能由電源引起，這會(huì)在電路中產(chǎn)生噪聲或紋波。這些紋波可能會(huì)在其他電路中表現(xiàn)為串?dāng)_，這可能會(huì)對(duì)這些電路中的信號(hào)產(chǎn)生不利影響。
隨著現(xiàn)代電路更快的開(kāi)關(guān)速度，IC上還有更多的電源和接地連接需要管理。如果采用球柵陣列（BGA）封裝的大型處理器芯片，則可以有數(shù)百個(gè)處于不同參考電平的電源和接地引腳。這些引腳還可以拉動(dòng)大量電流來(lái)為處理器供電，并且要確保電源干凈無(wú)任何尖峰，波紋或噪聲，PCB設(shè)計(jì)需要精心設(shè)計(jì)的PDN。但是，除了提供清潔電源外，PDN還需要執(zhí)行其他一些重要的電氣任務(wù)。
通孔可以在接地層上形成有效的屏障，以實(shí)現(xiàn)清晰的信號(hào)返回路徑。
權(quán)力和地面的許多作用
雖然PDN的成功設(shè)計(jì)似乎應(yīng)該只專(zhuān)注于為其處理器芯片和其他大型IC提供清潔電源，但實(shí)際上，PCB設(shè)計(jì)PDN還有很多工作要做。這些任務(wù)之一是為高速，敏感的信號(hào)在接地層上提供清晰的返回路徑，但是有一些潛在的問(wèn)題需要注意。
如上圖所示，由于需要為高密度零件上的多個(gè)引腳提供電源和接地，這些平面可能會(huì)被過(guò)孔填滿。這些在飛機(jī)上造成障礙，使信號(hào)返回很難找到返回其源頭的清晰路徑。當(dāng)這些返回信號(hào)四處游蕩以試圖找到回家的路時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生噪聲并破壞設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。因此，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是為所有有源器件提供足夠的電源和接地，同時(shí)確保不阻塞返回路徑。
接地層的另一個(gè)任務(wù)是提供微帶或帶狀線層配置，以控制高速傳輸線的阻抗。通過(guò)在兩個(gè)接地平面之間或兩個(gè)接地平面之間路由走線的特定寬度（仔細(xì)控制它們之間的絕緣材料的厚度和介電常數(shù)（Dk）），走線將以特定的阻抗水平工作。這將有助于消除來(lái)自這些走線的任何信號(hào)反射，并且是控制電路板信號(hào)完整性的另一個(gè)重要部分。這里的挑戰(zhàn)是以同時(shí)滿足功率傳輸要求和微帶或帶狀線配置要求的方式配置平面。
成功的PDN設(shè)計(jì)要求均勻分布許多不同的電源和接地網(wǎng)到板上的不同設(shè)備。雖然為每個(gè)所需電壓設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的平面層會(huì)很方便，但這些網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量通常超過(guò)了板疊中的可用層數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCB設(shè)計(jì)人員通常會(huì)拆分平面，以便他們可以在信號(hào)平面層上布線多個(gè)電源或接地網(wǎng)絡(luò)。然而，挑戰(zhàn)在于，盡管分離平面確實(shí)可以有效地分配不同的電源和接地網(wǎng)絡(luò)，但也會(huì)為信號(hào)返回路徑創(chuàng)造額外的障礙。因此，PCB設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)其分離平面，以均勻地傳送所有電源和地，同時(shí)保留敏感的高速信號(hào)所需的清晰返回路徑。
盡管良好的PDN設(shè)計(jì)可能需要使用非對(duì)稱(chēng)的板層堆疊，但是某些制造商會(huì)對(duì)該配置存在問(wèn)題。PCB制造商通常希望將板層堆疊的頂層鏡像到底層，以創(chuàng)建對(duì)稱(chēng)的層堆疊。隨著制造過(guò)程的溫度和高壓，不均勻的層堆疊的組合會(huì)導(dǎo)致板的翹曲。板越大，該效果越明顯。電路板翹曲會(huì)給長(zhǎng)而高速的傳輸線布線中使用的細(xì)金屬走線以及焊點(diǎn)造成壓力。
為避免這些問(wèn)題，電路板設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮以下事項(xiàng)：
盡可能使電源層和接地層在板層堆疊中對(duì)稱(chēng)，如果不影響信號(hào)完整性的話。
確保在整個(gè)板層堆疊中，預(yù)浸料和芯層的厚度也對(duì)稱(chēng)。
嘗試將電路板最密集的銅層保持在堆疊的中心。同樣，這必須結(jié)合良好的信號(hào)完整性實(shí)踐來(lái)完成。
對(duì)不同的平面層使用相同的銅砝碼。
考慮在沒(méi)有太多金屬的電路板上添加金屬填充物（倒銅）。
最重要的是，在您提交之前，請(qǐng)與您的PCB制造商聯(lián)系以建議的板層堆疊，以確保他們能夠制造它。
除了我們已經(jīng)討論好的PDN準(zhǔn)則之外，別忘了在印刷電路板上處理大面積金屬的一些基本規(guī)則。首先，為您的組件使用散熱墊，以輔助焊接。那些大面積的金屬將充當(dāng)巨大的散熱器，并與它們一起吸收熱量和焊料。其次，對(duì)于焊接到外部平面的表面安裝零件，不要忘記也要管理它們的連接。同樣，金屬的實(shí)心區(qū)域?qū)⒊洚?dāng)散熱器并引起熱不平衡。這種不平衡可能導(dǎo)致小的兩針無(wú)源器件在回流焊期間像墓碑一樣直立起來(lái)。
為了在電路板上設(shè)計(jì)出良好的PDN，有很多知識(shí)要知道，幸運(yùn)的是，PCB設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)工具中可以找到很多幫助。
電路板上的所有有源電子組件都需要電源才能運(yùn)行，為此，PCB需要設(shè)計(jì)良好的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)（PDN）。一次，PCB上的集成電路設(shè)備只有一個(gè)電源和接地引腳，并且可以通過(guò)一條簡(jiǎn)單的寬走線輕松連接。然后，隨著電路密度的增加，將它們與多層板上的電源和接地層連接變得更加容易。但是隨著引腳數(shù)的增加以及IC的功率要求變得越來(lái)越復(fù)雜，電路板開(kāi)始遇到以下一些問(wèn)題：
電磁干擾（EMI）：電路變得越快，它對(duì)來(lái)自內(nèi)部和外部源的EMI越敏感。防止EMI問(wèn)題的一種方法是配置電源和接地層，以屏蔽傳入和傳出的干擾。
接地反彈：當(dāng)許多數(shù)字信號(hào)同時(shí)處于開(kāi)關(guān)狀態(tài)時(shí)，它會(huì)產(chǎn)生一種稱(chēng)為同時(shí)開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）或接地反彈的效應(yīng)。這可以在內(nèi)存或數(shù)據(jù)總線中看到，并且如果快速切換導(dǎo)致信號(hào)不返回其參考地電平，則它們將在其上方反彈。這種影響會(huì)在電路中產(chǎn)生不希望有的噪聲，從而有可能產(chǎn)生錯(cuò)誤的開(kāi)關(guān)并破壞設(shè)備的運(yùn)行。精心設(shè)計(jì)的PDN可以幫助控制參考地平面。
電源紋波：開(kāi)關(guān)也可能由電源引起，這會(huì)在電路中產(chǎn)生噪聲或紋波。這些紋波可能會(huì)在其他電路中表現(xiàn)為串?dāng)_，這可能會(huì)對(duì)這些電路中的信號(hào)產(chǎn)生不利影響。
隨著現(xiàn)代電路更快的開(kāi)關(guān)速度，IC上還有更多的電源和接地連接需要管理。如果采用球柵陣列（BGA）封裝的大型處理器芯片，則可以有數(shù)百個(gè)處于不同參考電平的電源和接地引腳。這些引腳還可以拉動(dòng)大量電流來(lái)為處理器供電，并且要確保電源干凈無(wú)任何尖峰，波紋或噪聲，PCB設(shè)計(jì)需要精心設(shè)計(jì)的PDN。但是，除了提供清潔電源外，PDN還需要執(zhí)行其他一些重要的電氣任務(wù)。
通孔可以在接地層上形成有效的屏障，以實(shí)現(xiàn)清晰的信號(hào)返回路徑。
權(quán)力和地面的許多作用
雖然PDN的成功設(shè)計(jì)似乎應(yīng)該只專(zhuān)注于為其處理器芯片和其他大型IC提供清潔電源，但實(shí)際上，PCB設(shè)計(jì)PDN還有很多工作要做。這些任務(wù)之一是為高速，敏感的信號(hào)在接地層上提供清晰的返回路徑，但是有一些潛在的問(wèn)題需要注意。
如上圖所示，由于需要為高密度零件上的多個(gè)引腳提供電源和接地，這些平面可能會(huì)被過(guò)孔填滿。這些在飛機(jī)上造成障礙，使信號(hào)返回很難找到返回其源頭的清晰路徑。當(dāng)這些返回信號(hào)四處游蕩以試圖找到回家的路時(shí)，它們會(huì)產(chǎn)生噪聲并破壞設(shè)計(jì)的信號(hào)完整性。因此，設(shè)計(jì)人員面臨的挑戰(zhàn)是為所有有源器件提供足夠的電源和接地，同時(shí)確保不阻塞返回路徑。
接地層的另一個(gè)任務(wù)是提供微帶或帶狀線層配置，以控制高速傳輸線的阻抗。通過(guò)在兩個(gè)接地平面之間或兩個(gè)接地平面之間路由走線的特定寬度（仔細(xì)控制它們之間的絕緣材料的厚度和介電常數(shù)（Dk）），走線將以特定的阻抗水平工作。這將有助于消除來(lái)自這些走線的任何信號(hào)反射，并且是控制電路板信號(hào)完整性的另一個(gè)重要部分。這里的挑戰(zhàn)是以同時(shí)滿足功率傳輸要求和微帶或帶狀線配置要求的方式配置平面。
成功的PDN設(shè)計(jì)要求均勻分布許多不同的電源和接地網(wǎng)到板上的不同設(shè)備。雖然為每個(gè)所需電壓設(shè)置一個(gè)單獨(dú)的平面層會(huì)很方便，但這些網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量通常超過(guò)了板疊中的可用層數(shù)。為了解決這個(gè)問(wèn)題，PCB設(shè)計(jì)人員通常會(huì)拆分平面，以便他們可以在信號(hào)平面層上布線多個(gè)電源或接地網(wǎng)絡(luò)。然而，挑戰(zhàn)在于，盡管分離平面確實(shí)可以有效地分配不同的電源和接地網(wǎng)絡(luò)，但也會(huì)為信號(hào)返回路徑創(chuàng)造額外的障礙。因此，PCB設(shè)計(jì)人員需要設(shè)計(jì)其分離平面，以均勻地傳送所有電源和地，同時(shí)保留敏感的高速信號(hào)所需的清晰返回路徑。
盡管良好的PDN設(shè)計(jì)可能需要使用非對(duì)稱(chēng)的板層堆疊，但是某些制造商會(huì)對(duì)該配置存在問(wèn)題。PCB制造商通常希望將板層堆疊的頂層鏡像到底層，以創(chuàng)建對(duì)稱(chēng)的層堆疊。隨著制造過(guò)程的溫度和高壓，不均勻的層堆疊的組合會(huì)導(dǎo)致板的翹曲。板越大，該效果越明顯。電路板翹曲會(huì)給長(zhǎng)而高速的傳輸線布線中使用的細(xì)金屬走線以及焊點(diǎn)造成壓力。
為避免這些問(wèn)題，電路板設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮以下事項(xiàng)：
盡可能使電源層和接地層在板層堆疊中對(duì)稱(chēng)，如果不影響信號(hào)完整性的話。
確保在整個(gè)板層堆疊中，預(yù)浸料和芯層的厚度也對(duì)稱(chēng)。
嘗試將電路板最密集的銅層保持在堆疊的中心。同樣，這必須結(jié)合良好的信號(hào)完整性實(shí)踐來(lái)完成。
對(duì)不同的平面層使用相同的銅砝碼。
考慮在沒(méi)有太多金屬的電路板上添加金屬填充物（倒銅）。
最重要的是，在您提交之前，請(qǐng)與您的PCB制造商聯(lián)系以建議的板層堆疊，以確保他們能夠制造它。
除了我們已經(jīng)討論好的PDN準(zhǔn)則之外，別忘了在印刷電路板上處理大面積金屬的一些基本規(guī)則。首先，為您的組件使用散熱墊，以輔助焊接。那些大面積的金屬將充當(dāng)巨大的散熱器，并與它們一起吸收熱量和焊料。其次，對(duì)于焊接到外部平面的表面安裝零件，不要忘記也要管理它們的連接。同樣，金屬的實(shí)心區(qū)域?qū)⒊洚?dāng)散熱器并引起熱不平衡。這種不平衡可能導(dǎo)致小的兩針無(wú)源器件在回流焊期間像墓碑一樣直立起來(lái)。
為了在電路板上設(shè)計(jì)出良好的PDN，有很多知識(shí)要知道，幸運(yùn)的是，PCB設(shè)計(jì)在設(shè)計(jì)工具中可以找到很多幫助。
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