如何通过PDN指南来设计电路板的供电网络

尽管我见过一些电路板在起火时冒烟，但PDN不良造成的大多数问题通常并没有那么严重。但是，它们同样具有破坏性，因为设计不当的PDN可能会导致间歇性问题，从而彻底破坏电路板。让我们深入了解如何使用您的PDN设计指南来设计电路板的供电网络。

电路板上的所有有源电子组件都需要电源才能运行，为此，PCB需要设计良好的电源传输网络（PDN）。一次，PCB上的集成电路设备只有一个电源和接地引脚，并且可以通过一条简单的宽走线轻松连接。然后，随着电路密度的增加，将它们与多层板上的电源和接地层连接变得更加容易。但是随着引脚数的增加以及IC的功率要求变得越来越复杂，电路板开始遇到以下一些问题：

电磁干扰（EMI）：电路变得越快，它对来自内部和外部源的EMI越敏感。防止EMI问题的一种方法是配置电源和接地层，以屏蔽传入和传出的干扰。

接地反弹：当许多数字信号同时处于开关状态时，它会产生一种称为同时开关噪声（SSN）或接地反弹的效应。这可以在内存或数据总线中看到，并且如果快速切换导致信号不返回其参考地电平，则它们将在其上方反弹。这种影响会在电路中产生不希望有的噪声，从而有可能产生错误的开关并破坏设备的运行。精心设计的PDN可以帮助控制参考地平面。

电源纹波：开关也可能由电源引起，这会在电路中产生噪声或纹波。这些纹波可能会在其他电路中表现为串扰，这可能会对这些电路中的信号产生不利影响。

随着现代电路更快的开关速度，IC上还有更多的电源和接地连接需要管理。如果采用球栅阵列（BGA）封装的大型处理器芯片，则可以有数百个处于不同参考电平的电源和接地引脚。这些引脚还可以拉动大量电流来为处理器供电，并且要确保电源干净无任何尖峰，波纹或噪声，需要精心设计的PDN。但是，除了提供清洁电源外，PDN还需要执行其他一些重要的电气任务。

通孔可以在接地层上形成有效的屏障，以实现清晰的信号返回路径。

权力和地面的许多作用

虽然PDN的成功设计似乎应该只专注于为其处理器芯片和其他大型IC提供清洁电源，但实际上，PDN还有很多工作要做。这些任务之一是为高速，敏感的信号在接地层上提供清晰的返回路径，但是有一些潜在的问题需要注意。

如上图所示，由于需要为高密度零件上的多个引脚提供电源和接地，这些平面可能会被过孔填满。这些在飞机上造成障碍，使信号返回很难找到返回其源头的清晰路径。当这些返回信号四处游荡以试图找到回家的路时，它们会产生噪声并破坏设计的信号完整性。因此，设计人员面临的挑战是为所有有源器件提供足够的电源和接地，同时确保不阻塞返回路径。

接地层的另一个任务是提供微带或带状线层配置，以控制高速传输线的阻抗。通过在两个接地平面之间或两个接地平面之间路由走线的特定宽度（仔细控制它们之间的绝缘材料的厚度和介电常数（Dk）），走线将以特定的阻抗水平工作。这将有助于消除来自这些走线的任何信号反射，并且是控制电路板信号完整性的另一个重要部分。这里的挑战是以同时满足功率传输要求和微带或带状线配置要求的方式配置平面。

成功的PDN设计要求均匀分布许多不同的电源和接地网到板上的不同设备。虽然为每个所需电压设置一个单独的平面层会很方便，但这些网络的数量通常超过了板叠中的可用层数。为了解决这个问题，PCB设计人员通常会拆分平面，以便他们可以在信号平面层上布线多个电源或接地网络。然而，挑战在于，尽管分离平面确实可以有效地分配不同的电源和接地网络，但也会为信号返回路径创造额外的障碍。因此，PCB设计人员需要设计其分离平面，以均匀地传送所有电源和地，同时保留敏感的高速信号所需的清晰返回路径。

尽管良好的PDN设计可能需要使用非对称的板层堆叠，但是某些制造商会对该配置存在问题。PCB制造商通常希望将板层堆叠的顶层镜像到底层，以创建对称的层堆叠。随着制造过程的温度和高压，不均匀的层堆叠的组合会导致板的翘曲。板越大，该效果越明显。电路板翘曲会给长而高速的传输线布线中使用的细金属走线以及焊点造成压力。

为避免这些问题，电路板设计人员应考虑以下事项：

尽可能使电源层和接地层在板层堆叠中对称，如果不影响信号完整性的话。

确保在整个板层堆叠中，预浸料和芯层的厚度也对称。

尝试将电路板最密集的铜层保持在堆叠的中心。同样，这必须结合良好的信号完整性实践来完成。

对不同的平面层使用相同的铜砝码。

考虑在没有太多金属的电路板上添加金属填充物（倒铜）。

最重要的是，在您提交之前，请与您的PCB制造商联系以建议的板层堆叠，以确保他们能够制造它。

除了我们已经讨论好的PDN准则之外，别忘了在印刷电路板上处理大面积金属的一些基本规则。首先，为您的组件使用散热垫，以辅助焊接。那些大面积的金属将充当巨大的散热器，并与它们一起吸收热量和焊料。其次，对于焊接到外部平面的表面安装零件，不要忘记也要管理它们的连接。同样，金属的实心区域将充当散热器并引起热不平衡。这种不平衡可能导致小的两针无源器件在回流焊期间像墓碑一样直立起来。

为了在电路板上设计出良好的PDN，有很多知识要知道，幸运的是，在设计工具中可以找到很多帮助。
编辑：hfy