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数字电源通流及滤波设计

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发表于 2017-6-21 15:19 | 显示全部楼层 |阅读模式
在当前的高速PCB设计中,随着电压降低和功耗增大,板上承载的电流越来越大,一些Core电压的电流甚至达到或者超过100安培。需要在PCB设计上考虑这么大的电流的载流能力和由此引起的电压跌落、温升等问题,是比较有挑战性的。

每个芯片工作时都要消耗一定的能量,这些能量的供给通道就是PCB上的走线,影响到PCB上走线载流能力的几个关键因素有线宽、铜厚、温升、层面。
(1) 线宽:即电源走线的宽度,如果是铺铜来实现,则考虑铜皮的最细处的宽度,同时要减去最细处其它网络过孔的避让宽度(这是简单计算时的处理方式,严格来说,有其他网络过孔的避让铜皮,不能用简单的减法来计算有效通道,因为铜皮的宽度和载流能力之间不是线性比例关系。这个时候,PI仿真的IR Drop的功能可以帮助工程师准确得到铜皮的载流能力和压降数据)。长距离布线时,需再增加50%的裕量,保证PCB印制线不被熔断或烧损。
(2) 铜厚:电源走线所在层的铜厚,常见内层(电源、走线混合层)为1oz。如果需要加到2oz及以上,最好把电源地层设计到一个芯板的两面。
(3) 温升:允许因电源走线温度升高而导致整个PCB的温度升高的范围。
(4) 层面:分为外层电源走线和内层电源走线,通常外层比内层载流量大。

2.jpg
电源载流能力PCB计算软件示意图

电源通道和滤波

一、明晰每一个电源的来龙去脉才能够清楚整个单板的电源分布,在布局前对整板的电源树要有个直观的了解。每一种电源都会有它的主要电源通道,合理地设计整板的电源通道才是成功的关键。
l 按照功能模块布局,电源流向明晰,避免输入、输出交叉布局。
l 各自功能模块相对集中、紧凑,避免交叉、错位。
l 整个电源通路布线(或铜箔)宽度满足载流能力要求。

二、电源模块或电源芯片,必须在其输入端加滤波电容,并且在满足DFX前提下要将电容尽量靠近其电源输入端。
l 减小电源内部产生的反灌到输入侧的杂声电压。
l 防止当模块输入端接线很长时,输入端产生输入电压振荡。这种振荡可能产生几倍于输入电压的电压尖峰,轻则使电源输入不稳定,重则会对模块造成致命损坏。
l 如果模块输入端出现不正常的瞬态电压时,此电容的存在可抑制短暂的瞬态电压。

三、电源模块或电源芯片,必须在输出端加滤波电容,并且在保证热设计前提下要将电容放置在靠近电源输出端。该电容有如下作用
l 减小输出纹波值
l 改善模块在负载变化时的动态性能
l 改善模块某些方面的性能(如启动波形、系统稳定性等)
l 模块输出关闭后输出电压可以维持一段时间以保证负载电路的某些操作能正常完成(如储存数据)

四、芯片端的滤波电容考虑:电容主要用于保证电压和电流的稳定。处理器的耗电量处于极不稳定的状态,可能突然增大,也可能突然减小,特别是在执行了一条待机指令,或者恢复至正常工作状态的时候。而对电压调节器来说,无论如何都不可能立即对这些变化做出响应。
对于一些功耗大、高频、高速的器件,其电源设计要求如下:
l 在该芯片周围均匀放置几个储能电容。
l 对于芯片手册指定的电源引脚,必须就进放置滤波电容,对滤波无特殊需求的情况下,可酌情考虑防止适当的滤波电容。
l 滤波电容靠近IC的电源引脚放置,位置、数量适当。
l 对于一些特殊的芯片,需要考虑滤波电容的容值是否合理,以及不同容值应该对应哪些引脚设置。

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