PCB電源供電系統設計解說

電源供電系統的分析與設計在高速電路設計領域如在計算機、半導體、通信、網絡和消費電子產業中正變得越來越重要。隨著超大規模集成電路技術不可避免的進一步等比縮小，集成電路的供電電壓將會持續降低。隨著越來越多的生產廠家從130nm技術轉向90nm技術，可以預見供電電壓會降到1.2V，甚至更低，而同時電流也會顯著地增加。從直流IR壓降到交流動態電壓波動控制來看，由于允許的噪聲范圍越來越小，這種發展趨勢給電源供電系統的設計帶來了巨大的挑戰。

通常在交流分析中，電源地之間的輸入阻抗是用來衡量電源供電系統特性的一個重要的觀測量。對這個觀測量的確定在直流分析中則演變成為IR壓降的計算。無論在直流或交流的分析中，影響電源供電系統特性的因素有：PCB的分層、電源板層平面的形狀、元器件的布局、過孔和管腳的分布等等。

電源地之間的輸入阻抗概念就可以應用在對上述因素的仿真和分析中。比如，電源地輸入阻抗的一個非常廣泛的應用是用來評估板上去耦電容的放置問題。隨著一定數量的去耦電容被放置在板上，電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產生，還可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問題。為了提高電源供電系統的可靠性和降級系統的制造成本，系統設計工程師必須經常考慮如何經濟有效地選擇去耦電容的系統布局。

高速電路系統中的電源供電系統通常可以分成芯片、集成電路封裝結構和PCB三個物理子系統。芯片上的電源柵格由交替放置的幾層金屬層構成，每層金屬由X或Y方向的金屬細條構成電源或地柵格，過孔則將不同層的金屬細條連接起來。

對于一些高性能的芯片，無論內核或是IO的電源供電都集成了很多去耦單元。集成電路封裝結構，如同一個縮小了的，有幾層形狀復雜的電源或地平板。在封裝結構的上表面，通常留有去耦電容的安裝位置。PCB則通常含有連續的面積較大的電源和地平板，以及一些大大小小的分立去耦電容元件，及電源整流模塊(VRM)。邦定線、C4凸點、焊球則把芯片、封裝和PCB連接在了一起。 整個電源供電系統要保證給各個集成電路器件提供在正常范圍內穩定的電壓。然而，開關電流和那些電源供電系統中寄生的高頻效應總是會引入電壓噪聲。


審核編輯 黃宇