5.1電源優(yōu)化

PCB 供電系統(tǒng)通常包括地面系統(tǒng)和一個(gè)或多個(gè)電源，電源和地面網(wǎng)絡(luò)通常是電路中最大分布式網(wǎng)絡(luò)， 但也為微控制器電源噪聲提供了一個(gè)合適的天線，因此，必然要精心設(shè)計(jì)電源電路，第一步要完成優(yōu)化電源設(shè)計(jì)，如上文所述分析任何器件的電源和地引腳失真的潛在性。PCB 的設(shè)計(jì)應(yīng)該總是先從供電系統(tǒng)布線開始。

5.1.1地平面系統(tǒng)

(1)系統(tǒng)地

該地面系統(tǒng)有兩大功能: 一方面是作為電源供電系統(tǒng)；另一方面，它為所有信號(hào)提供了參考。根據(jù)歐姆定律，地面系統(tǒng)的任何電流通過地面阻抗引起電壓都按比例下降，由于是共用的地阻抗(比較第24頁組(1) "共同阻抗耦合")，此電壓將覆蓋所有和地相關(guān)的信號(hào)。

為優(yōu)化地面，在系統(tǒng)地上應(yīng)該使其具有盡可能低的阻抗和較小的噪聲電流

(2)地面

在多層PCB設(shè)計(jì)過程中，第一要求是能實(shí)現(xiàn)用一個(gè)完整的層作為地面層。地面層必須不接受任何信號(hào)走線或其他長于10mm的空白。地面上的任何空隙都增加其阻抗，這里介紹一下所謂的縫隙 天線，無用縫隙如圖例5-1所示。

圖 5-1: 縫隙天線

(3)本地器件地

地面系統(tǒng)的第二個(gè)作用可以為如下的裝置提供額外的本地地，這個(gè)本地器件地應(yīng)通過低阻抗連接到如圖中所示的系統(tǒng)地，通過這一結(jié)構(gòu)本地高頻電流將遠(yuǎn)離地面系統(tǒng)，從而避免在系統(tǒng)地上引起相關(guān)的電壓下降。如圖 5-2 所示，4條路線連接到系統(tǒng)地上，是在低阻抗(只有一個(gè)連接阻抗的 1/4th)和最小的地間并聯(lián)之間的折中方案。

圖 5-2: 本地器件地

(4)鋪地

通常不是每層上的每一個(gè)地方都用于布線，這些剩余的地方應(yīng)充滿銅，然后連接到地面。僅僅是某些地方的填充地連接到地是不夠的，填充地應(yīng)至少每 10毫米一格連接到地面， 這一舉措進(jìn)一步降低了接地阻抗，同時(shí)又降低了各層之間的串?dāng)_。

(5)PCB邊緣的防護(hù)環(huán)

多層板的主要優(yōu)勢(shì)是具有一個(gè)能夠?yàn)槊總€(gè)信號(hào)或電源提供地面返回路徑。如圖 5-3中的信號(hào)返回的PCB的場(chǎng)線，只有一個(gè)具有"無限" 地面的系統(tǒng)是可用的，靠近PCB 的邊緣的導(dǎo)線都沒有這種"無限"地面，因此可能比其他信號(hào)輻射的更多，因此關(guān)鍵的信號(hào)(例如時(shí)鐘線)或電源線(內(nèi)核電源)不應(yīng)在 PCB 邊緣走線，如果這是不可以避免的， 在PCB的邊緣應(yīng)附帶著防護(hù)圈。

圖 5-3: 地平面上信號(hào)的的場(chǎng)線

防護(hù)圈目的是高頻能量會(huì)被輻射到PCB邊緣，它被發(fā)射返回到板上的部分將被吸收，因此，在邊界上的所有層( 包括電源層)的地線應(yīng)如圖 5-4 所示那樣應(yīng)用。由于這些走線應(yīng)該具有和地面同樣的(高頻)的電勢(shì)，他們必須至少每 10mm一格（過孔）連接到地面上。

圖 5-4: 4層PCB的防護(hù)圈

5.1.2電源布局和退耦

低阻抗地面的可靠性確定之后，PCB設(shè)計(jì)的下一步是電源布線。

(1)電源面與電源走線

在多層PCB設(shè)計(jì)過程中，一個(gè)方法是完整的面作為電源面，另一個(gè)設(shè)計(jì)方法包括電源走線或者結(jié)合兩種技術(shù)。下面介紹一下兩種技術(shù)的優(yōu)缺點(diǎn)。

電源平面的優(yōu)點(diǎn)

?實(shí)現(xiàn)容易、時(shí)間短

?低電感電源

?與地面之間形成一個(gè)大電容

電源平面的缺點(diǎn)

?每個(gè)供電系統(tǒng)都需要一個(gè)平面

?如果不同供電面之間沒有用地面隔離，則會(huì)增加它們之間的串?dāng)_

?一個(gè)低阻抗的躁聲源會(huì)影響整個(gè)供電系統(tǒng)

?誘導(dǎo)PCB設(shè)計(jì)者很少考慮電源設(shè)計(jì)

布電源線的優(yōu)點(diǎn)布

?在同一層上，可以放置多個(gè)供電系統(tǒng)， 因此可以減少電源面之間的串?dāng)_

?可以減少每個(gè)供電系統(tǒng)內(nèi)部的串?dāng)_

電源線的缺點(diǎn)

?需要仔細(xì)地考慮電源布線

?為了保證電源的穩(wěn)定，較高的供電阻抗需要一個(gè)額外的電容

?在高電流時(shí)，具有較大直流阻抗

顯然，最優(yōu)方案是把兩者優(yōu)點(diǎn)相結(jié)合，因此應(yīng)該采用本地電源面并且通過導(dǎo)線連接到供電系統(tǒng)上，不同的供電系統(tǒng)應(yīng)設(shè)在同一層或通過地面分離以減少這些供電系統(tǒng)之間的串?dāng)_，雖然本地電源面易于操作， 但當(dāng)連接電源引腳和腿耦電容到平面上時(shí)，應(yīng)該特別謹(jǐn)慎。

(a)退耦電容的連接

微控制器最關(guān)鍵的引腳去耦(請(qǐng)參照第 3章) 往往是在PCB 設(shè)計(jì)過程中最苛刻的一部分，即使是在一個(gè)多層設(shè)計(jì)中，每毫米導(dǎo)線都要仔細(xì)考慮。

(b)擬定等效電路

當(dāng)考慮到最佳位置，方向和電容的連接時(shí)，紙和鉛筆仍然是有益的工具，畫一個(gè)草圖可能會(huì)非常有用。每一條線應(yīng)擬阻抗畫出，即使實(shí)際意義并不大。圖 5-5清楚地暗示：2個(gè)紅線標(biāo)識(shí)的阻抗應(yīng)盡量低，而其它 2個(gè)可以不作重點(diǎn)考慮。

圖 5-5:退耦等效電路

器件供電

圖 5-6展示了PCB的布局，連接到本地地面的線應(yīng)盡可能短，電源線從本地器件通過電容焊盤再經(jīng)過一個(gè)VIA (通孔連接)連接到內(nèi)部電源面。

例如，把過孔放在該紅色導(dǎo)線中心，會(huì)添加幾個(gè)nH電感到電容阻抗，從而將大大地降低濾波效率。此外，其他引腳和/或裝置的電源線必須不能從紅色導(dǎo)線引出，因?yàn)樗鼤?huì)引起很大的躁聲。

圖 5-6: PCB退耦布局

(2)過孔有相當(dāng)大的阻抗

任何導(dǎo)線和過孔都有一個(gè)相當(dāng)大的阻抗，因此關(guān)鍵電路的過孔如去耦電路必須是獨(dú)立的，圖 5-7

左邊 2個(gè)圖說明了一個(gè)共同原因，相關(guān)聯(lián)電路之間共用一個(gè)過孔會(huì)引起串?dāng)_，最右邊圖展示的是正確接線。

圖 5-7: 共用過孔的電路之間的串?dāng)_

(3)濾波器

如果按照上述設(shè)計(jì)技術(shù)，那么大多數(shù)應(yīng)用都能夠完成EMC要求，不過，有關(guān)鍵EMC要求的或復(fù)雜的設(shè)計(jì)，可能需要再加濾波元件，根據(jù)一般 EE 經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)該利用一個(gè)多級(jí)的電源濾波器。

(a)多級(jí)電源濾波器

最關(guān)鍵的電源應(yīng)利用多級(jí)濾波以實(shí)現(xiàn)最大可能的噪聲抑制。下圖是濾波電路的例子，如前所述每一條線的阻抗都應(yīng)已予考慮，尤其是垂直元件的連接(例如所有電容) 是至關(guān)重要的，例如T型過濾器提供一個(gè)完美的電源線與電容的連接并且沒有增加額外的阻抗。只有PCB設(shè)計(jì)提供了一個(gè)到地面的相對(duì)較低阻抗， 全面躁聲抑制才能實(shí)現(xiàn)。

圖 5-8: 多級(jí)電源濾波r

濾波電容T型濾波器去耦電容高頻電器件容

高頻電容：應(yīng)該使用電感最小可行方案( 0603或更小)。應(yīng)該使用陶瓷材料的NPO或者至少用X7R，電容值不得不在EMC測(cè)試時(shí)估測(cè)，在選擇包裝時(shí)應(yīng)最大限度地選擇現(xiàn)有容量的電容，到器件的連線應(yīng)該如第5.1.2節(jié)（第33頁“電源布線和去耦”）描述的那樣。

去耦電容：這個(gè)電容提供器件中頻電流，因?yàn)樗姑}沖電流形成直流電流，其主要任務(wù)是保持供電符合直流規(guī)格(例如1.5V+-5%)，一個(gè)或多個(gè)去耦電容( 47 nF to 100 nF， X7R， 0603 )應(yīng)連接到本地VDD平面上。所需電容的計(jì)算方法應(yīng)根據(jù)以下公式，可能需要并行幾個(gè)電容以降低有ESR和 ESL引起的紋波。

I = 供電系統(tǒng)的最大平均電流

T = 運(yùn)行的時(shí)鐘周期

U = 可接受的電壓紋波，卻省是1%

例如:

對(duì)于 3.3V供電系統(tǒng)可接受的電壓紋波為U = 33 mV。8MHz 的石英晶振和 5倍頻PLL，工作頻率為 40MHz 或T = 25 ns，如果供電系統(tǒng)的平均器件電流是 I=100 mA，去耦電容必須至少為 76 nF。

如此計(jì)算去耦電容值可能由于所有高頻電容累計(jì)值而減少，因?yàn)檫@些都是用于并行中的中頻段的，連接到地平面和連接到本地地平面至少需要有 2個(gè)過孔，如果在生產(chǎn)條件允許的情況下，孔應(yīng)放置在焊盤的內(nèi)部， 否則應(yīng)該使用最短導(dǎo)線長(最大 1mm)。

T型濾波器：鐵氧體T型濾波器(例如Murata NFM60R30T222 ) 用于隔離本地電源面和系統(tǒng)電源面。它保持天線結(jié)構(gòu)，為使器件電流噪聲減小及使高頻能量變熱。

接地是最關(guān)鍵的，并應(yīng)至少有 2 個(gè)過孔，如果生產(chǎn)條件允許，孔應(yīng)放置在濾波器的焊盤內(nèi)部，否則盡可能的縮短導(dǎo)線長度(最多 1mm)用于接地。

圖 5-9: T型濾波器對(duì)本地電源的隔離

濾波電容：這個(gè)濾波電容(47 nF to 100 nF，X7R，0603)用鐵氧體濾波器的一半構(gòu)成另一個(gè)LRC濾波器。

(b)備用橋接元件

當(dāng)電源電壓失真時(shí)，最佳的濾波措施是根據(jù)評(píng)估結(jié)果刪減可能并不需要的部分，并行元件較易刪減， 但串行元件需要根據(jù)情況選擇橋接元件， 如例圖 5-10所示，如果實(shí)驗(yàn)證明了串行元件的必要性，所有部分其他元件都將移走，以至為新元件提供空間，另一方面， 不要提供太多的額外元件，因?yàn)檫@些可能造成空間的限制，影響其他部分的電路。

圖 5-10: 備用橋接元件

原文標(biāo)題：微控制器 EMC之電源優(yōu)化

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