如何维护PCB电源完整性？

在本文的第1部分中，我描述了通过完全设计完成与维护PCB电源完整性相关的各种挑战和问题任何给定产品实施的功能PDS。本文将通过概述构成PDS的元素，工程师在设计PDS中的工作以及可用于该设计过程的资源来解决这些问题和挑战。应该指出的是，所有这些要素的彻底处理包含在本文末尾所述的参考文献1章和参考文献2章的第3章中。

问题的根源

如前文所述，功率输送已成为当今PCB设计过程中最关键和最困难的方面。而且，如前所述，这是由于必须解决的频率数量，巨大的电流和不断缩小的工作电压。虽然获取路由规则并确定板的叠加可以在几天内完成，但是设计一个正常运行的PDS可能需要一个月的时间。但是，由于PDS设计尚未被很好地理解，因此在设计过程的最后阶段，如果遇到问题，它会成为设计过程中没有良好基础的神话和经验法则的牺牲品。

构成成功PDS设计的要素

图1是真实PDS系统的示意图。 PDS设计过程的目标是制造阻抗足够低的电源，以便Delta I负载电流变化导致纹波电压在规格范围内。在该图中，可以看到电源阻抗。产品开发人员的任务是设计此阻抗，使其满足上述条件。这是一个分析问题，必须考虑到许多因素。作为本文第1部分中提到的此过程的一部分，工程师别无选择，只能假设Delta Is是最大Ioads。此外，它们可以在从DC到数百MHz的任何频率发生。

图1. PDS设计问题简化

图2显示了典型设计的PDS阻抗以及构成PDS的所有元素。

这些包括：

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电压调节器模块（VRM）也称为负载点（POL）。

这是产生直流电压的模块。/p>

电路板上安装的电容器。

平面电容器（PCB）。

图2.典型PDS示意图

这些元素中的每一个都具有有限的频率范围，其中它们如下有效：

VRM：VRM能够保持高达几KHz的电压。/p>

电容器：电容器能够实现从几KHz到大约100 MHz的低阻抗。

平面电容器：平面电容能够提供超过100 MHz的频率。

注意：我们遇到的所有EMI问题的根源过去几年一直是电路板上没有任何平面电容。另外，重要的是要注意当电路板变小时，没有平面电容。在这些情况下，电容必须在IC元件本身内。 PDS工程师的工作是管理上述元件，以便在整个频率范围内保持低阻抗。注意：正如我之前关于铁氧体磁珠使用的文章所述，在给定PCB的整个频率范围内保持低阻抗的必要性抵消了铁氧体磁珠的使用。这是因为功率路径中的铁氧体磁珠破坏了PDS的阻抗，因为根据定义，铁氧体磁珠是高阻抗的。

事实上，PDS设计已成为设计过程中的第1步。在没有完成PDS设计的情况下，甚至无法确定电路板中需要多少层。这是由于在设计流程中的PDS步骤完成之前，由Vdd和接地平面彼此紧密间隔形成的平面电容量是未知的。然后，这个平面电容内置在PCB叠层中。

阻抗与频率的关系

图3是使用经典的.1和.01微法电容器规则的阻抗与频率的关系 - 经验法则。纵轴是阻抗，水平是频率。如本文参考文献3所述，使用.1和.01微法拉电容器，事情会变得更好，达到60MHz左右，然后事情变得更糟。这表明任意将电容器放在电路板上会导致不良结果。此图由密苏里大学罗拉分校提供，并在本文末尾的参考文献3中引用。

图3.使用0.1 uF和0.01 uF电容的典型设计的阻抗与频率的关系

图4显示了典型VRM的输出阻抗。这是一个DC-DC转换器。它仅显示出100Hz的低阻抗，然后停止调节。从那里开始，你不能依靠调节器来保持低阻抗。电容器必须接管该频率以上。

图4.典型电压调节器的阻抗与频率的关系模块（VRM）

图5显示了典型PDS的阻抗与频率的关系，所有元素的组合。蓝色曲线是平面电容器，黑色曲线是调节器停止调节后的调节器。还示出了每个在其窄频率范围内操作的电容器的不同值。红色曲线是所有元素一起工作的。 PDS工程师的工作是选择正确的组合，以便达到阻抗目标。

图5.典型PDS的阻抗与频率

电源完整性作为设计过程的一部分

设计功能性PDS的步骤包括确定负载是什么，纹波目标是什么，然后设计上述元件。但是，直到你证明自己已经做对了，你才能完成。通过参考参考文献2的附录2中所述的测量来完成该证明。如上所述，人们做出失误的关键区域是不将平面电容结合到电路板中。

如上所述，由于各种因素，PDS设计通常是PCB设计过程中解决的最后一个方面。很多时候，工程师在设计PDS时不知道要问的正确问题和/或他们依赖于不包含PDS设计元素的组件应用笔记。除了使用仿真工具之外，还有另一种资源可以满足大多数工程师在设计PDS时所需的工作：Altera的工具名为ALTERA_PDN_Tool v.10，可以在公司网站上免费获得。

使用Altera PDN工具，您可以从电容器库中选择电容器;你定义了如何安装这些电容器;你定义了平面电容;你定义了如何连接BGA;并定义电压，容差和Delta I的含义。然后该工具为您进行数学计算，并告诉您平面下有多少电感。这使您能够以最有效和最有效的方式完成PDS设计过程。

摘要

PDS设计已成为当今PCB设计过程中最关键和最困难的因素。了解构成全功能PDS的元件，同时在PCB的所有频率范围内保持低阻抗是该过程的关键部分。有一些方法和工具可以帮助确保在任何给定的PCB设计中成功实现电源完整性。今天与Altium专家交谈以了解更多信息。

参考文献：

Ritchey，Lee W.和Zasio，John J. ，“第一次正确，高速PCB和系统设计实用手册，2003年第1卷。

Ritchey，Lee W.和Zasio，John J.，”第一次，关于高速PCB和系统设计的实用手册，2006年第2卷。

Hubing，Todd H.等人，“多层印刷电路板上的电源总线去耦“关于电磁兼容性的IEEETTraactions，Vol。 37，NO 2，1995年5月。

Smith，Larry＆amp; Bogatin，Eric：“简化电源完整性和PDB设计的原则”，PrenticeHall，2017