高速数字设计和信号完整性--电源分布系统设计

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3基本概念电源分布系统PowerDistributionSystem（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阻抗需要的电流百分数）允许电压波动的比率（电源电压100PDSZ上海傲普科技有限公司4设计目标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公共通路阻抗I+-VN上海傲普科技有限公司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+2f×ESLESR——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7电源分布系统寄生电感两条平行的电源和地圆导线)2ln(16.10DHXLPDSＸ—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，innH多层平行堆叠的扁平带状的电源和地线)1(9.31NWHXLPDSＸ—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的屏蔽作用上海傲普科技有限公司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11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（可调整）0.1mm0.1mm1.0mm0.15mm（可调整）上海傲普科技有限公司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。20)/(11)(HDHIDi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。RfIAEL）（26.2μV/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。参考平面的开槽DW上海傲普科技有限公司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的隔离盘，将增加信号的环路面积。上海傲普科技有限公司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：)ln(5WDDLnH0/901022.2ZLTRL290102/9010)()(TTTrRLCLTr4.3（长线）（短线）0ZTLVVrcrosstalk（长线）2)(52.1rcrosstalkTLCVV（短线）上海傲普科技有限公司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有较低的交流阻抗上海傲普科技有限公司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20低频大容量电容的选择步骤计算电路的最大交变电流（ΔI）给出电路所允许的最大电源电位差噪声（ΔV）计算电路所允许的最大XMAX=ΔV/ΔI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根据去耦电容的引脚电感LC，计算其最高响应频率FbypassPSWMAXPSWLXF2MAXPSWbypassXFC21CMAXbypassLXF2上海傲普科技有限公司21低频大容量电容的选择实例某5VCMOS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100nHAnsVpFtVNCI15510100VV100.01.0IVXMAXnHLPSW100KHzLXFPSWMAXPSW1592FXFCMAXPSWbypass1021设电容引脚电感LC=5nH，则MHzLXFCMAXbypass18.32上海傲普科技有限公司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+CLDCLPDSCbypass-高频去耦电容的阻抗必须小于XPSW上海傲普科技有限公司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rMAXkneeMAXtotTXFXL2totCLLNMAXbypassparallelXFC21NCCparallelelement上海傲普科技有限公司25高频去耦电容的选择实例某5VCMOS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。nsTr51.0MAXXnHTXLrMAXtot159.0MHzFbypass18.3FXFCMAXbypassparallel5.02132totCLLNFNCCparallelelement016.0上海傲普科技有限公司26多层陶瓷片式电容的材料选择通常使用的材料有三种NP0X7RZ5UX7R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dεrdACrplane225.0A—平面重叠面积，in2d—间隔距离，inεr—绝缘介质的介电常数pF例如：当采用FR-4材料（εr=4.5)，d=0.01in时，Cplane=100pF/in2上海傲普科技有限公司29埋入式电容原理C=0.225xAxεrdAPowerDielectricGroundd若εr=90，则C=5nf/in2上海傲普科技有限公司30埋入式电容设计1-Comp2-Signal3-Power4-Ground5-Signal6-WireCORECORECapCORE6Layer/3CoreConstruction上海傲普科技有限公司31高速数字设计中典型的PDS上海傲普科技有限公司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33地电平抖动（1）地电平抖动——GroundBounce（GB）GB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34地电平抖动（2）GB现象上海傲普科技有限公司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