高速电路PCB的电源地噪声设计

高速电路PCB的电源地噪声设计

什么是电源地噪声？

为什么会产生电源地噪声？

根本原因：电源阻抗不为0

而PCB板上合理的电源系统设计可以有效地降低系统噪声

电源系统的阻抗理想电源的阻抗为0，0阻抗保证了

源端电压与负载端电压一致，因为

负载端的阻抗相对于源端的0阻抗

为无穷大，所有的噪声都将被这个

理想的电源所吸收，

但是，实际电源并不是0阻抗

电源的阻抗

平面电源的阻抗最低！？

我们无一例外地使用电源地平面作为高速电路板的电源分配系统，因为通常平面层具有比总线式的电源更低的阻抗。是不是任何情况都是这样呢？

高速电路的电源地平面

高速电路的电源地平面构成了一个谐振腔，在其谐振频率上将表现出很高的阻抗。

如果信号工作频率或者其高次谐波正好在这个谐振频率上，那么整个系统就是一个巨大的干扰辐射源

平面谐振腔的谐振频率

平面谐振腔的谐振频率有一个计算公

式Array

其中a为正方形金属平面的边长

平面谐振腔的谐振频率点

我们常用的单

板其第一个谐

振频率点约在

200M—400M，

一个6cmX6cm

的单板其第一

个谐振频率点

约在800M左右

什么情况下产生电源噪声？

纹波与开关电源高频干扰噪声

数字电路高速总线瞬态变换噪声

过冲、振铃及串扰

器件辐射发射噪声

电源地反弹

大功率模拟电路如功放、大电流继电器

开关电源噪声指标

AVH75半砖系列电源模块典型指标

电源噪声干扰信号

开关电源与线性电源

开关电源由于其工作特性使其具有较高的效率，同时纹波较大也带来高频干扰，所以在要求比较高的场合使用开关电源会给输出加LC滤波。

线性电源纹波小，干扰小，但它本身也会消耗相当的功率，特别是输入输出压差比较大时，一般线性电源只需要电容滤波就可以了

电源分配网络作为信号回路

电源系统的一个作用是为所有产生或接收信号提供低阻抗回路，考虑这方面的设计可以消除很多高速噪声的问题

信号回路的特性

信号开关时能量的产生是高速电路中产生噪声的根源。任一信号的开关，都产生一个交流电流，而电流需要一个回路

信号回流路径

这里VCC与GND对

交流来说是等效

的，都可以作为信

号回路

回流产生电流环

信号线与信号回路构成了一个电流环

路，这个电流环路可以看作一个线圈，具有一定的电感量。这可能恶化信号的振铃、串扰、辐射。环路的电感量和它所引起的问题，会随着环路包围的面积的增大而增大。所以，最小环路面积将最小化由于电流环路而引起的振铃、串扰、辐射等问题。

高速信号的回流路径

高速信号的回流将选择阻抗最小的回流路径，主要是电感最小的路径。对于有完整的电源参考平面的信号来说，阻抗最小的路径就是沿其信号线在参考平面层的投影回路。如果在回路中有分割的情况，那么必然会引起较大的电流环路面积，导致较大的干扰

开槽导致更大的回流路径

电源地噪声设计高速电路PCB

低噪声电源地的设计

如何降低电源噪声

对于我们常见的单板来说，降低电源噪声的两个根本点：

降低电源阻抗

提高电源地平面系统的谐振频率

低噪声电源系统设计常用方法

屏蔽

平面分割

滤波和去耦

加接地过孔提高平面系统谐振频率电源地平面靠近

信号回路完整性

低噪声电源地的设计

第一部分

电容器分析与合理使用

电容的作用

电源地平面层能够较好的消除数百M到几个G的高频噪声，但对于较低频段的噪声就无能为力了，这时往往需要添加电容来得到较好的电源质量

系统阻抗

开关电源系统、滤波电容、高频电容及电源地平面对降低系统阻抗的贡献

实际的电容

理想电容器与实际电容器模型

电容器的频率响应曲线

电容器的谐振频率

实际的电容器可以看作一个LC串联谐振电路，其谐振频率为，实际电容器在谐振频率以下呈容性，在谐振频率以上呈感性，从频率响应图上可见电容更像一个带通滤波器，而不是一个低通滤波器

电容器的ESL与ESR

电容器的ESL和ESR是由电容的结构和所用介质决定的，而不是电容量，对于高频抑制能力并不会因更换更大容量的同类型电容而增强。更大容量的同类型电容通常比小容量的电容具有更低的阻抗，但高于谐振频率时，ESL决定了两者的阻抗不会有什么区别。要取得更高频的抑制能力，只能更换具有更小ESL 的电容

不同大小的同类电容频率响应曲线

高频时更大的电容并没有更低的阻抗

电容器的ESL

电容器的等效串联电感是由电容器的引脚电感与电容器两个极板的等效电感串联构成的。

ESL 在射频或高频工作环境下也会出现严重问题，虽然精密电路本身在直流或低频条件下正常工作。

产生ESL的因素

已安装在PCB上的电容器的ESL是由三个部分引起：引线焊盘电感、电容器的厚度以及电源平面的分布感应系数

这三个参数决定了电流环路，电流环路越大，电感就越大，对ESL起主要贡献的是引线焊盘，它是过孔的位置、过孔与焊盘连线长度以及过孔连接到电源地平面的路径组成的，电源地平面在PCB 层叠结构中的位置决定了过孔连接到电源地平面的路径

布线方式影响电感大小

电容器自身构造引起的电感

电容器自身对高频电流也构成一个回路，从而引起电感。我们知道典型的电容器是用交替相连的多层金属薄膜和介质制成的，越大的电容越厚，流过的电流就有越大的电流环路，就有越大的电感。电容器的电感基本上是由电容器的大小与制作决定了。一个40mil（0805封装）厚的电容其本身的电感大约为4nH