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西电PCB设计指南第4章学习笔记

西电PCB设计指南第4章学习笔记

四、电源路径分析

  1. 电源路径的基本原理

    • 回路路径与感抗

      感抗与路径有关,信号线看似很短很直,但是引入了较大的环路感抗。多路信号线的环路之间的互感,造成相互干扰

      所以,我们不能但按照最短路来布线(导线越长电阻越大),要考虑产生的感抗大小。

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    • 降低回路阻抗的方法(重要)

      • 减小面积减小环流面积,能有效降低感抗分量

      • 就近配置为每一个前向信号配置就近的回流路径,不仅能够减小环路感抗,还能有效降低环路之间的互感

      • 信地交替:排线的交替接地布置,信号-地线 顺序交替排列

      • 指导性原则: 不要怕信号线长、不要怕曲折,但一定要为之提供一条环路面积小(低环路阻抗)的回流路径

      • 一点接地:“一点接地效果好”,只在一个位置走线接地

      • 地线网络image

      • 低阻抗平面: 在布线区域保留一个完整的导电平面(低阻抗平面),在其上方任意走线,电流都能自动得找到最小环路回流路径(在信号线正下方)

        回流路径位于信号线正下方,大幅降低了相邻导线之间的互感

        或者我可以理解为:先连完其他的信号线,然后覆铜之后打缝合孔,再将GND管脚与缝合孔相连?看图应该是这个意思(

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      • 柔性PCB排线

        底面是完整地平面,顶面全是信号线

      • 多层板的电源层(高经费消耗)

        多层板每个信号层下方都衬有有完整低阻抗平面

        这样信号层任意曲折走线都能保证回路面积很小(即使采用自动布线)

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    • 低阻抗平面的割裂问题

      • 短线+过孔搭桥

      • 利用另一面的铺铜进行搭桥

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    • 回流路径跨层的处理

      • 出现的问题:

        多层板的信号切换层时,回流路径也随之跨越低阻抗平面,当内层平面分属不同网络时,回流路径被切断

      • 处理方法:

        在信号换层过孔附近增加一枚高频电容,用于回流路径的跨层通路

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  2. 公共路径和公共阻抗

    • 公共阻抗

      • 概念:

        大电流通过某些电路之间的公共路径时,其阻抗引起的压降会叠加在环路中,引起相互干扰

      • 消除:

        • 混合电路中,将敏感部分和干扰强烈的地线分开,消除了公共路径

        • 不要用“模拟地”“数字地”的名称(定势误解为模 拟电路和数字电路的地线,实际并不一定)

        • 如何判断:

          • 敏感地: 地电位轻微偏移也不可容忍
          • 非敏感地: 容许地电位较大范围偏移
          • 干净地: 电流小、频率低(或直流),接地点电位几乎不变化
          • 骚扰地: 有高频/大电流,会引起接地点 附近地电位变化

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        • 接地点的处理:

          • 干净的非敏感地:

            接到哪里都行:happy:

          • 干净的敏感地:

            将这些敏感地尽可能近地连在一起,通过铺铜等手段尽可能降低各接地点之间的阻抗,尽量避免其他电流流经敏感 地所在区域

          • 骚扰的非敏感地:

            避免骚扰地和敏感地有任何的公共路径,将这些接地点单独连在一起,最后一并连到电源入口处。

          • 骚扰的敏感地 :😠

            • 若只有一个骚扰敏感点:将此处点作为整个系统的接地点
            • 若有多个骚扰敏感点:隔离和差分几乎是唯一手段⭐
        • 小结:

          (1)公共阻抗+大电流流过=相互干扰源

          (2)地线分为:敏感、非敏感、骚扰、干净四类组合

          (3)保证敏感地点尽可能接近零电位,是最主要目标

          (4)避免骚扰地的回流电流经过过敏感地部分,是主要手段

          (5)跨接地线割缝的信号线,要避免割缝对回流路径影响

          (6)慎重使用磁珠连接

  3. 电源路径与退耦问题

    • 数字芯片的工作电流

      数字电路的电流波形都是大电流脉冲尖峰,即使是低功耗芯片;

      每一次逻辑翻转,都会伴随电流尖峰产生,测到的是其平均值;

      脉冲尖峰电流波形中,包含大量的高频分量!(与工作频率无关)

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    • 模拟器件的工作电流

      模拟器件的工作电流与其信号频率有关,且对于单边电源来说呈脉动状态

      功率变换/开关电路,呈现周期性的脉动电流(可能还伴随强烈的高频干扰)

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    • 电源的环路阻抗与纹波

      尖峰(高频)脉冲电流,流经环路感抗时造成电源瞬间跌落,引起电源纹波

      对于高频尖峰,电源路径的阻抗以环路感抗为主,加粗导线无用

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    • 退耦

      • 对于尖峰(高频)脉冲电流,退藕环路面积小、感抗小

      • 电源至退藕电容只剩低频分量,对感抗不敏感简单加粗导线即可

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    • 退耦缓解电源线公共阻抗

      退耦电容就近放置:

      并非距离近,而是电容到芯片电源脚环路面积尽可能小。

      干线只剩低频/直流分量,对环路面积不敏感,简单加粗降低电阻即可。

      • 退耦电容的容量要求:

        工作电流脉冲持续时间越长、功耗越大、电压越高,所需的电容值越大

      • 退耦电容频率特性要求:

        大小电容并联来保证低频和高频下都有足够低阻抗

      • 电容摆放位置的要求:

        退耦路径的环路面积尽可能小,比电容和芯片实际空间距离更重要

        多个电容并联时,小容量的电容应更靠近芯片电源引脚

      • 电源退耦的要求:

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      • 陶瓷电容偏压效应:

        II-III类陶瓷介电系数随着场强增加而急剧下降,电容量也随之下降。在退耦、隔直应用时,必须在设计时考虑余量,容忍直流偏压效应引起的损失。

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      • 退耦半径:

        • 概念:

          在有完整电源平面的情况下,一个电容可以为附近的IC提供退耦 。一枚电容能够提供优良退耦效果的区域半径,称为退耦半径

        • 计算:

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      • 消除寄生电感

        • 就近接电源层,尽可能较少引出线带来的额外环路面积
        • 不要多个电容共用过孔,会引入公共路径感抗
http://www.hskmm.com/?act=detail&tid=15981

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