高速电路PCB的电源地噪声设计

板边缘滤波
我们目前的设计都会给器件去耦，也会 对电源输出进行滤波，但常常忽略了在 单板边缘加适当的电容进行去耦及滤 波，实际上由于全反射，单板的边缘往 往具有比板中间更大的噪声
案例—板边具有更大的噪声
某单板经常无故被复位，经检查复位线 为了避开其他信号的干扰，特地走在了 板边而且在边角上打了一个过孔，又经 过分析在此过孔位置处电源纹波较大， 进而通过这个过孔影响了复位信号，解 决方案就是将过孔移到板里面去或在过 孔的位置加去耦电容！
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
高速电路PCB电源地噪声设计
0.1% 稳定性好、价格低、温度范围宽
限制供应、只提供小电容值
外形尺寸大、DA限制到8位应 用、电感高
电容器布局
高速电路设计理论告诉我们，去藕电容 要放在芯片的电源地管脚附近，那么到 底要放得多近呢？要使电容器充份发挥 其效能，电容器的位置是首先要关注的
电容器的位置
一 个 大 约 的 估 算 公 式 是 L/12， 以 时 钟 驱 动 器 为 例 ， 其 上 升 沿 时 间 为 1ns， 此 段 时 间 內 信 号 行 进 距 离 为 5.5inch。 要 能 及 时 供 应 电 源 ， 电 容 必 须 放 在 L/12亦 即 0.45inch， 或 1.15cm內 才 能 完 全 发 挥 作 用。超过这个距离，则效用将会按距离 的 3次 方 减 弱 。 例 如 ， 距 离 成 为 两 倍 2.3cm时 ， 电 容 的 作 用 将 只 剩 1/8
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
其中a为正方形金属平面的边长
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
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
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
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
通 过 ESL的 研 究 让 我 们 对 电 容 的 不 同 布 线方案有了理论指导，我们应选择最能 减 小 ESL的 布 线 方 案
电容焊盘到过孔的联线尽量粗、短
电容器的ESR
电容器的等效串联 电阻是由电容器的 引脚电阻与电容器两个极板的等效电阻 相串联构成的。当有大的交流电流 通 过 电 容 器 ， ESR 使 电 容 器 消 耗 能 量 (从 而 产 生 损 耗 )。 这 对 射 频 电 路 和 载 有 高 波 纹电流的电源去耦电容器会造成严重后 果。 ESR 最 低 的 电 容 器 是 云 母 电 容 器 和 薄 膜 电容器
高速电路PCB的 电源地噪声设计
电源、地平面的作用
为电路板上各部分电路提 供低噪声的电源 提供电位的参考点 为所有产生或接收信号提 供低阻抗回路 降低串扰
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
板边加电容
记着在板子边缘加一些电容，可能会有 意想不到的好处
低噪声电源地的设计
第二部分 接地过孔分析与使用
接地过孔的作用
接地过孔同样有助于提高系统谐振频率
接地孔截面图
接地孔顶视图
加接地过孔的三种情况
接地过孔对平面谐振频率的影响
更多的接地孔有更高的谐振点
2× 2、 4× 4、 10× 10三 种 情 况 的 最 低 谐 振 频 率 点 分 别 为 ： 110MHz、 335MHz、 1.075GHz。 当 我 们 把 接 地 过 孔 的 数 量 增 加 到 28 × 28甚 至 以 上 时 ， 系 统 谐 振 频 率 点 已 超 过 了 3G
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
电容器提高系统谐振频率
在电源地平面间添加电容能够有效提高 平面系统的谐振频率点，而且电容数量 越多，系统谐振频率越高，电容器的 ESL越 小 ， 系 统 谐 振 频 率 也 越 高 ， 电 容 值 的 大 小 以 及 电 容 器 的 ESR对 系 统 谐 振 频率的影响不大
Hale Waihona Puke Baidu
电容的数量对电源谐振平面的影响
大电容的内部构造
大电容的内部构造
PCB中电源地平面带来的电感的影响
平面层中电流在过孔处非常集中，集中 的电流形成磁场带来电感效应，而且在 平面的边缘及拐角处感应系数更大，因 为 在 PCB的 中 间 电 流 是 以 四 个 方 向 流 向 过孔，而在板边缘及拐角处只能从两个 方向。电源地平面间的距离不同也会导 致不同的感应系数
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
不同电容器的ESR
合理选择ESR参数
电源分配系统应该在单板的频率范围内 保 持 低 阻 抗 ， 在 1M到 几 百 M的 范 围 内 使 用 电 容 器 常 常 是 很 好 的 解 决 方 法 。 ESR 决定了电容器的最小阻抗，所以它是一 个 很 重 要 的 参 数 。 过 高 估 计 ESR会 使 用 更多的电容器导致多余的开销，过低估 计 ESR又 会 导 致 不 恰 当 的 电 源 系 统 阻 抗
在 一 个 10cm× 10cm四 层 平 面 板 模 型 上 做 仿 真 分 析 ， 比 较 加 5个 0.1u与 9个 0.1u 电容的情况
电容的寄生电感参数对电源谐振平面 的影响
常用电容器类别
我们常用的电容器主要有电解电容器 （包括铝电解及钽电解电容器）、陶瓷 电容器、薄膜电容器等
类型
典型介 优点
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。
缺点
通常很低，但又无法限制到很小 的数值(10nF)
温度高于85° C，电容器受到损 害、外形尺寸大、电感高 温度高于+105° C，电容器受到 损害、外形尺寸大、电感高
价格相当贵、外形尺寸大、电感 高
MOS电容 器
聚碳酸酯 电容器
0.01% DA性能好，尺寸小，可在+25° C 以上温度工作，电感低
质吸收
NPO陶瓷 吸收
电容器
＜0.1%
外型尺寸小、价格便宜、稳定性 好、电容值范围宽、 销售商多、 电感低
聚苯乙烯 0.001% 价格便宜、DA很低、电容值范围
电容器
～0 .02% 宽、稳定性好
聚丙烯电 0.001% 价格便宜、DA很低、电容值范围
容器
～0.0 2% 宽
聚四氟乙 0.003% DA很低、稳定性好、可在+125° 烯电容器 ～ 0.02% C以上温度工作、电容值范围宽
电容布局
对于钽电容的布局我们需要特别关注一 些，因为钽电容抗浪涌能力比较差，不 要直接放在开关电源模块的输出端，举 下面一个例子
钽电容的位置
钽电容的布局
上 图 是 某 单 板 3.3V电 源 模 块 输 出 及 电 容 滤波示意图（输出是限定通道的），我 们 看 到 铝 电 解 C657在 前 面 ， 钽 电 解 C656在 铝 电 解 的 后 面 ， 这 样 先 经 过 了 一 级滤波后钽电解所承受的浪涌电压会小 一些，如果将二者位置互换，则钽电解 的失效机率就大大增加了
平面层引起的电感
３种电感比较
降低ESL设计
焊盘连线电感、平面层分布电感以及电 容 器 自 身 电 感 的 贡 献 比 较 见 图 13， 其 中 焊盘连线电感是起主要作用的。在设计 中考虑好焊盘连线方式及减小平面层间 距 可 以 将 电 容 器 的 ESL降 低 一 半 以 上 。
降低ESL设计
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
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
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
理想电源
实际电源
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。