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1电源分布系统设计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2电源分布系统设计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阻抗上海傲普科技有限公司3电源分布系统设计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4电源分布系统设计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5电源分布系统设计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+2f×ESLESR——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6电源分布系统设计电源分布系统寄生电感两条平行的电源和地圆导线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Ｘ—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7电源分布系统设计一般设计规则（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8电源分布系统设计一般设计规则（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9电源分布系统设计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10电源分布系统设计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11电源分布系统设计电流回路（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。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12电源分布系统设计电流回路（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。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13电源分布系统设计电流回路（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14电源分布系统设计电流回路（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15电源分布系统设计电流冠回路迈（5崭）信号炉环路束面积霉增加鸦，将煮产生香额外栏的感饥抗，亲减慢讽信号喂边沿遣速率涛，并羽在临鬼近信刊号线勾上产裳生互暴感串须扰。图3芳中：nH（长线签）（短线砌）（长线舅）（短线沾）上海皮傲普漠科技荒有限足公司16电源盘分布馅系统趟设计去耦挑电容剂及其赌应用去耦占电容低频监大容招量电壶容（bu节lk）高频民去耦换电容多层礼陶瓷贺片式绸电容馒的材山料选酷择表面共贴装河电容损的布记局和扎布线多层PC快B中的排平面预电容埋入种式电梳容上海灿傲普而科技旦有限某公司17电源恩分布眠系统讯设计去耦乏电容去耦蝇作用消除岔高频歪开关件电路锋产生狼的RF能量夺，为过电路信提供恩一个输低阻督抗本庙地直帮流源完成庄去耦仗作用犯的前笼提，叮是保宇证在绪电源省分布照系统涌具有趋较低摊的交怀流阻歉抗上海味傲普脏科技绍有限戴公司18电源山分布冒系统帐设计低频者大容榨量电气容（bu除lk致）在所较有的沸信号种管脚预开关塑同时渣处于撑最大姻的容助性负缝载条伶件时钩，提阵供稳锁定的惠直流城电压算、电摧流通常访选用秤大容断量钽乳电容哥，电伯压额灵定值莫一般旧为电龟路额论定工榆作电道压的早5倍放置肆位置时钟魂电路创附近输入元/输腊出连琴接处大功紫耗电卖路附傅近远离第电源撒馈入闷点的仔位置上海惠傲普蛮科技尸有限煤公司19电源头分布获系统疮设计低频饭大容火量电融容的铸选择残步骤计算岸电路绑的最陷大交递变电葛流（ΔI）给出枯电路坡所允引许的赔最大学电源纵电位欺差噪徐声（ΔV）计算墨电路汉所允唐许的宜最大XMA易X=ΔV做/ΔI给出建电源雹、地政分布粉线的蚊寄生始电感LPS剑W计算篮电源掩、地饰分布叼线的谷最高诵响应译频率FPS秋W计算锣去耦轨所需圈要的狱最小紫电容剃值Cby煌pa关ss根据件去耦阁电容盾的引肌脚电护感LC，计算杂其最镜高响戚应频昨率Fby矩pa蒙ss上海寨傲普绸科技购有限俩公司20电源如分布摇系统纷设计低频洪大容净量电海容的证选择相实例某5V乳CM崖OS电路泽板有杏10渡0个扶门，巾分别畏驱动波10pF负载免，边真沿时窑间为料5ns启。电源映分布密线的剖电感兔为1诱00nH设电秋容引他脚电蒸感LC=5悠nH掩，则上海擦傲普罪科技斗有限毫公司21电源酱分布品系统解设计高频韵去耦啦电容高频勿去耦动电容堆为电赢路提侄供本剥地的柏低阻宪抗直阁流源+CLDCLPD辟SCby爹pa乒ss-高频呢去耦革电容疑的阻矩抗必紫须小掏于XPS杯W上海坐傲普啄科技贿有限乳公司22电源彻分布演系统餐设计选择槐高频蜂去耦问电容奔的一碑般原姓则自谐消振频根率>腔需抑说制的李时钟云谐波起频率提供见电路懂瞬态取工作迹能量上海践傲普衡科技苹有限蕉公司23电源楼分布耍系统幅设计高频镇去耦吼电容偿的选甘择步五骤计算具系统识在高猛频下藏正常番工作捧所能球允许驻的电违感Lto鼻t给出周电容套的引屑脚电尽感LC计算竖并联泥电容餐的数辜目N计算员并联锦电容偿值CPa贿ra颠ll革el计算穴每一刘个电抖容的首值Cel债em抱en销t上海传傲普详科技堂有限亩公司24电源艳分布偷系统春设计高频侦去耦重电容楚的选聚择实狗例某5V喂CM习OS电路弹板有正10哪0个捷门，篇分别发驱动由10pF负载劝，边粮沿时钻间为嚷5ns汁。电源招分布究线的妈电感寸为1她00nH国。设电选容引独脚电卫感LC=5滔nH喊。上海朝傲普灯科技想有限偿公司25电源堆分布让系统蔑设计多层枕陶瓷桃片式否电容梯的材晃料选阶择通常砌使用友的材骨料有树三种NP肆0X7赤RZ5枝UX7稿R是去奥耦应俘用的语最佳举选择介电切常数矿介于NP乱0和Z5激U之间相对耀于Z5跪U，具有聚较好凯的温尊度和泽电压娇系数相对箭于NP鸭0，具有已较高色的ES令R和较快差的兼温度塌和电嫂压系朗数相同妈的封添装下子，电友容值区的范丝式围比NP腿0宽上海金傲普多科技晕有限佣公司26电源低分布挨系统途设计表面大贴装寒电容倘的布吹局和脖布线不同延的布查局，荡产生眨的寄霜生电袋感的适数值妇相差础很大应采极用较旦大的竞过孔电容给焊盘艘到过攻孔的候引线侵应尽疫可能痰短和蝇宽上海工傲普汗科技鹊有限精公司27电源怪分布欧系统薪设计多层PC吴B中的培平面翅电容多层PC拴B中直倦接相菊邻（筑“背医靠背皱”）腔的电晒源和共地平皆面构象成了自一个窝具有鹿最小尊交流检阻抗罚的平氏面电麻容平面嘱电容何具有亿最好蝴的高晚频特洪性dεrA另—平面震重叠抱面积搭，in2d—间隔奔距离酸，inεr—绝缘镇介质差的介妹电常轮数pF例如秘：当烟采用FR主-4材料冰（εr=4.5转)态，d=段0.演01瞒i胳n时，Cpl甜an悬e=接10赔0p壁F/伶in2上海翁傲普般科技烟有限爬公司28电源报分布届系统超设计埋入骨式电城容原蓄理C=0.225xAxεr

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