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電源不會輕易告訴你的Detail-設(shè)計先生之回流設(shè)計系列(3)

發(fā)布時間:2015-04-08 來源:楊洲 一博科技 責(zé)任編輯:sherry

【導(dǎo)讀】設(shè)計過程中如何處理好客戶對于包地的需求,我們怎么理解包地的作用以及包地的注意事項。電源往往是設(shè)計中一個很重要的部分,就像一個人需要能量一樣,沒有東西提供能量,我們都不能生存。
 
客戶說包地你敢說NO嗎——設(shè)計先生之回流設(shè)計系列(2)
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有Error的教訓(xùn)才會印象深刻——設(shè)計先生之回流設(shè)計系列(1)
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我們知道穩(wěn)定的供電電壓是芯片正常工作的基本條件。當(dāng)芯片工作電流由電源輸出,流經(jīng)電源分配網(wǎng)絡(luò)到達(dá)芯片端時就會在芯片端造成一定的直流壓降和瞬態(tài)噪聲。一般來說,直流壓降和瞬態(tài)壓降之和必須小于芯片允許的最大電壓波動幅度。那么造成器件電壓波動的根源有哪些方面:一是器件在高速開關(guān)狀態(tài)下,瞬態(tài)交流電流過大,二是在電流回路上存在阻抗和諧振。
 
電源噪聲是由電流回路阻抗和瞬態(tài)電流共同作用引起的。在PCB設(shè)計實際運用中,控制電源噪聲的關(guān)鍵就是降低電源回路的阻抗。
 
接下來我們就談?wù)勱P(guān)于PCB電源設(shè)計的回流問題:
 
<a> 完整的開關(guān)電源的回流路徑一般包含有四個:
 
1,電源開關(guān)交流回路
 
2,輸出整流交流回路
 
3,輸入信號源電流回路
 
4,輸出負(fù)載電流回路
 
而在我們PCB板上設(shè)計的Mos管開關(guān)電源的實際電流回路包含的是下面三個回路:
 
1、電源輸入輸出的回路;
 
2、輸入輸出與電源芯片內(nèi)部的回路;
 
3、氣放管充電放的回路(部分開關(guān)電源有)明白了這些電源的返回路徑,我們就不難理解設(shè)計時為什么要輸入輸出的濾波電容要共地,然后為什么電源芯片的地也要和輸入輸出的地共在一起。
 
<b> LDO線性電源的回流路徑
 
LDO電源回流路徑比較簡單:輸入輸出的回流,LDO芯片與輸入的回流。如圖可以看的很清晰
LDO線性電源的回流路徑
<c> Connector電源座子的回流路徑,以及控制芯片供電管腳輸入濾波電容的回流路徑。
 
設(shè)計項目的時候電源的入口通常是connector,然后經(jīng)過濾波電容輸出,但是這里我們設(shè)計的時候也應(yīng)注意它的回流。需要最短回流設(shè)計。對于控制芯片電源的輸入也要考慮與芯片地的回流。最好保證芯片電源輸入的電容的地與芯片的地盡可能的短。
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電源地緊耦合
 
眾所周知,完整的地平面是最好的參考平面,那么完整的電源平面是否可以起到同樣的效果了?是不是所有的信號都是以地平面為參考是最佳的呢?
 
<a>對多數(shù)信號而言,信號必須回到發(fā)送端器件的GND才能完成回路,若參考平面為電源平面,則信號的返回路徑為電源層,到達(dá)發(fā)送端后,還需由電源平面回到地平面才能完成回路。在實踐我們可以認(rèn)為回流信號通過最近的旁路電容從電源層流回了地層。如下圖所示。
電源地緊耦合
<b>接著該分析電源地的緊耦合了。我們知道若電源層與地層之間的距離較近,耦合大且阻抗小,則這種回流方式與地平面的回流方式幾乎沒有差別。若距離較遠(yuǎn),它們之間的耦合較差,造成阻抗偏大,則該阻抗對信號的回流存在一定的影響。這也是電源和地需緊耦合的原因之一。
 
<c>之前我們的高速先生闡釋過平面緊耦合的原因是因為減小Lbelow,讓電容能更好的發(fā)揮全局特性。更詳細(xì)的介紹可以參考高速先生前期的文檔。
 
那如果電源地根本沒有在一起,而是交替的呢?
 
如果我們采用交替的電源和地平面隔離布線層,那么返回的電流總是流過最近的平面,并且會穿過很多旁路電容,因為他們連接在電源和地平面之間。這種設(shè)計不好,因為任何電流流過旁路電容器時都會在它兩端產(chǎn)生電壓。這些電壓會在電源和地平面產(chǎn)生非常顯著的輻射,增加了輻射噪聲問題。
 
<d>當(dāng)然存在的一些特例不要忽略,比如說某些高速走線,如某些DDR SDRAM顆粒的控制,地址信號,會有以2.5V電源而不是地平面作為參考。這里設(shè)計先生就不講了。
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