PCB設計的十大誤區之電容布局佈線 「電源加磁珠」

2021-08-13 13:28:50 字數 2852 閱讀 2442

濾波半徑還是基於著名的四分之一波長理論。(四分之一波長理論在高速先生的各種文章會反覆多次出現,為了方便大家理解,我們會專題討論各種四分之一波長的問題,這裡就不再贅述,如果覺得理解這篇文章有問題,可以單獨和高速先生進行討論)電容去耦半徑理論認為,當電容的位置距需要濾波的器件(管腳)的距離剛好是四分之一波長的時候,電容的補償電流和訊號雜訊電流相位剛好相差180度,濾波失效。所以為了保證電容的濾波作用,要求電容的位置距需要濾波的器件(管腳)的距離小於1/10的四分之一波長,當然,更嚴格的要求希望小於1/20的四分之一波長。

大家看到這,估計有點煩躁了,有的人說,這個我早就知道了。也有人說,不是叫「看得懂的高速設計」嗎,你說的這些我看不懂。那我們就來看看常見的濾波電容的濾波半徑。(這裡我們為了計算的簡化,假設電容的esl為0.4nh,電容的安裝電感為1.5nh。具體的電容安裝電感問題,在上乙個專題的第四篇文章裡面討論過了,大家可以參考)

看到這裡,估計很多pcb設計師會大吃一驚?我們常用的0.1 uf電容,在考慮四十分之一波長的時候,電容的有效去耦半徑居然有12英吋。就算嚴格點考慮兩百分之一波長,也有將近2英吋的去耦半徑。我們在濾波電容布局的時候,這個去耦半徑還是問題嗎?

本節的結論還是繼續有效的,我們常用的0.1uf電容,濾波半徑遠遠比我們想象的要大。

本節的問題是:

既然簡單的用四分之一波長理論推算的電容去耦半徑,對電容布局設計起不到指導作用,那麼電容放置的離晶元電源管腳比較遠,還會有哪些影響呢?

我們知道平常「耳熟能詳」的電容去耦半徑理論,對pcb設計其實沒有什麼指導意義。0.1uf的電容去耦半徑足夠大,設計中參考這個值沒有用處,工程師還是會「盡量」把0.1uf電容靠近晶元的電源管教放置。pcb設計師需要更有效的理論來指導電容的布局設計。

既然簡單的用四分之一波長理論推算的電容去耦半徑不起作用,那麼電容放置得離晶元電源管腳比較遠,還會有哪些影響呢?很多人都答對了,影響安裝電感。

圖3在這裡引入兩個概念:labove 、lbelow(電容和ic下面的電流迴路大小不一定一樣,但在這裡分析的時候,假定大小等同)

總電感:ltotal= 2labove+lbelow

labove包括電容的esl和fan out帶來的電感,我們會另外專題討論電容的fan out問題。至於l below就更多收到電容位置的影響。簡單來說,電容離晶元電源管腳越遠,l below圍成的面積就越大,相應的安裝電感就越大。

更具體點,lbelow主要是兩個過孔的自感和互感,當電容的位置離ic器件更近時,如圖4所示,lbelow的互感增大,因互感的作用與自感的作用相反,導致其整體電感減小,充放電速率更快

圖4可以列出一堆公式來推導這個互感乃至l below,但這個不是高速先生的風格。

圖3其實從圖3可以簡單看出,g和p之間的距離對l below影響很大,g和p之間的距離越近,l below對應的陰影區域面積就越小。而l below越小,也就意味這電容可以放得越遠,換句話說,電容的有效濾波範圍更大。電容也就更加傾向於呈現「全域性」特性。

「濫用」磁珠,會帶來哪些壞處?什麼情況下我們需要使用磁珠對電源進行隔離?什麼情況下,「濫用」磁珠會帶來負面影響?

多層板設計的時候,電容傾向於呈現「全域性特性」,「電源加磁珠」的設計方法,會影響電容在全域性範圍內起作用。同時電源種類太多,還會帶來其他設計問題。

所以,我們可以得出簡單的結論:

典型的8層以上單板,或者6層板採用3個電源地平面,電源地相對緊耦合的設計,這時候板上的濾波電容呈現「全域性特性」,也就是說電容的位置不是很「重要」,電容在全域性起作用。雙面板四層板,以及6層板電源地距離比較遠,相對松耦合的時候,板上的濾波電容傾向於「區域性特性」,電容的位置比較重要,最好能靠近晶元管腳放置。

當電源供電網路不使用電源地平面來設計的時候,電容更傾向於「區域性特性」。如pll電源的電容,如ddr3設計中vref電源的電容,都希望嚴格把相應的電容靠近晶元的管腳,甚至最好能做到設計時指定電源必須從濾波電容進入晶元管腳。

同樣的,對於常規數字電源,如3.3v,2.5v等io電源,如果我們對每乙個晶元都使用磁珠隔離之後單獨供電,那麼電容就失去了「全域性」作用。最直接的乙個負面作用就是導致設計需要增加更多的濾波電容。或者某個晶元的電容數量與種類不夠,導致電源軌道雜訊變大。

就算是電容的數量不是問題,電源雜訊可控,「濫用」磁珠還會造成其他設計問題。圖9中的方案三是現在非常流行的12層板層疊設計。大家選擇這樣的層疊最主要的原因就是電源的分割太破碎,這樣的電源層如果作為參考平面的話,會比較難避免「跨分割」問題(單面跨電源分割問題,我們會另外有專題討論)。方案三的層疊避免了電源分割多的問題,卻帶來更加惡劣的層間串擾等其他問題。

電源種類多是設計的現狀,「濫用」磁珠會「雪上加霜」的讓電源種類更多。加大電源地平面設計的難度。而增加的磁珠,其實並沒有給電源雜訊帶來好處。

圖9總結:常規的數字電源,在採用多層板設計,電源地平面緊耦合的情況下,不建議「濫用」磁珠,保持電容的「全域性」特性起作用。

需要使用磁珠的場合大致分為兩種

1、「特別」保護自己,如pll電源等

2、「關愛」他人,自身的干擾性比較強,避免emi問題,如強驅動的時鐘晶元等

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