PCB設(shè)計(jì)去耦和層電容

去耦和層電容有時(shí)工程師會(huì)忽略使用去耦的目的，僅僅在上分散大小不同的許多電容，使較低阻抗電源連接到地。但問(wèn)題依舊：需要多少電容？許多相關(guān)文獻(xiàn)表明，必須使用大小不同的許多電容來(lái)降低功率傳輸系統(tǒng)(PDS)的阻抗，但這并不完全正確。相反，僅需選擇正確大小和正確種類(lèi)的電容就能降低PDS阻抗。圖1. 電容示例例如，考慮設(shè)計(jì)一個(gè)10 mΩ參考層，如圖1所示。如紅色曲線(xiàn)所示，系統(tǒng)上使用許多不同值的電容，0.001μF、0.01μF、0.1μF等等。這當(dāng)然可以降低500 MHz頻率范圍內(nèi)的阻抗，但是，請(qǐng)看綠色曲線(xiàn)，同樣的設(shè)計(jì)僅使用0.1μF和10μF電容。這證明，如果使用正確的電容，則不需要如此多的電容。這也有助于節(jié)省空間和物料(BOM)成本。注意，并非所有電容“生而平等”，即使同一供應(yīng)商，工藝、尺寸和樣式也有差別。如果未使用正確的電容，不論是多個(gè)電容還是幾個(gè)不同類(lèi)型，都會(huì)給PDS帶來(lái)反作用。結(jié)果可能是形成電感環(huán)路。電容放置不當(dāng)或者使用不同工藝和型號(hào)的電容(因而對(duì)系統(tǒng)內(nèi)的頻率做出不同響應(yīng))，彼此之間可能會(huì)發(fā)生諧振(見(jiàn)圖2)。圖2. 諧振電容了解系統(tǒng)所用電容類(lèi)型的頻率響應(yīng)很重要。隨便選用電容，會(huì)讓設(shè)計(jì)低阻抗PDS系統(tǒng)的努力付之東流。PDS的高頻層電容要設(shè)計(jì)出合格的PDS，需要使用各種電容(見(jiàn)圖1)。PCB上使用的典型電容值只能將直流或接近直流頻率至約500 MHz范圍的阻抗降低。高于500 MHz頻率時(shí)，電容取決于PCB形成的內(nèi)部電容。注意，電源層和接地層緊密疊置會(huì)有幫助。應(yīng)當(dāng)設(shè)計(jì)一個(gè)支持較大層電容的PCB層疊結(jié)構(gòu)。例如，六層堆疊可能包含頂部信號(hào)層、第一接地層、第一電源層、第二電源層、第二接地層和底部信號(hào)層。規(guī)定第一接地層和第一電源層在層疊結(jié)構(gòu)中彼此靠近，這兩層間距為2到4密爾，形成一個(gè)固有高頻層電容。此電容的最大優(yōu)點(diǎn)是它是免費(fèi)的，只需在PCB制造筆記中注明。如果必須分割電源層，同一層上有多個(gè)VDD電源軌，則應(yīng)使用盡可能大的電源層。不要留下空洞，同時(shí)應(yīng)注意敏感電路。這將使該VDD層的電容最大。如果設(shè)計(jì)允許存在額外的層(上例中，從六層變?yōu)榘藢?，則應(yīng)將兩個(gè)額外的接地層放在第一和第二電源層之間。在核心間距同樣為2到3密爾的情況下，此時(shí)層疊結(jié)構(gòu)的固有電容將加倍(示例見(jiàn)圖3)。與添加更多分立高頻電容以在高頻時(shí)保持低阻抗相比，此結(jié)構(gòu)更易于設(shè)計(jì)。圖3. 高頻層電容示例PDS的任務(wù)是將響應(yīng)電源電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低，這點(diǎn)很重要但常被忽略。所有電路都需要電流，有些電路需求量較大，有些電路則需要以較快的速率提供電流。采用充分去耦的低阻抗電源層或接地層以及良好的PCB層疊，有助于將因電路的電流需求而產(chǎn)生的電壓紋波降至最低。例如，根據(jù)所用的去耦策略，如果系統(tǒng)設(shè)計(jì)的開(kāi)關(guān)電流為1 A，PDS的阻抗為10 mΩ，則最大電壓紋波為10 mV。計(jì)算很簡(jiǎn)單：V = IR。憑借完美的PCB堆疊，可覆蓋高頻范圍，同時(shí)在電源層起始入口點(diǎn)和高功率或浪涌電流器件周?chē)褂脗鹘y(tǒng)去耦，可覆蓋低頻范圍(<500 MHz)。這可確保PDS阻抗在整個(gè)頻率范圍內(nèi)均最低。沒(méi)有必要各處都配置電容；電容正對(duì)著每個(gè)IC放置會(huì)破壞許多制造規(guī)則。如果需要這種嚴(yán)厲的措施，則說(shuō)明電路存在其它問(wèn)題。層耦合一些布局不可避免地具有重疊電路層(見(jiàn)圖4)。有些情況下，可能是敏感模擬層(例如電源、接地或信號(hào))，下方的一層是高噪聲數(shù)字層。圖4. 交叉耦合層示例這常常被忽略，因?yàn)楦咴肼晫邮窃诹硪粚印诿舾械哪M層下方。然而，一個(gè)簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)就可以證明事實(shí)并非如此。以某一層面為例，在任一層注入信號(hào)。接著連接另一層，將該相鄰層交叉耦合至頻譜分析儀。耦合到相鄰層的信號(hào)量如圖5所示。即使間距40密爾，某種意義上它仍是電容，因此在某些頻率下仍會(huì)耦合信號(hào)至相鄰層。圖5. 交叉耦合層實(shí)測(cè)結(jié)果圖5顯示了這樣的一個(gè)例子。舉例來(lái)說(shuō)，假設(shè)一個(gè)層面上的高噪聲數(shù)字層具有高速開(kāi)關(guān)的1 V信號(hào)。這意味著，另一層將看到1 mV的耦合(約60 dB隔離)。對(duì)具有2-V p-p滿(mǎn)量程擺幅的12位ADC，這是2 LSB的耦合。對(duì)于特定的系統(tǒng)這可能不成問(wèn)題，但應(yīng)注意，如果系統(tǒng)的靈敏度提升兩位，從12位增至14位，此耦合的靈敏度只會(huì)提高四倍，即8 LSB。忽略此類(lèi)型的交叉層耦合可能使系統(tǒng)失效，或者削弱設(shè)計(jì)。必須注意，兩層之間存在的耦合可能超出想象。在目標(biāo)頻譜內(nèi)發(fā)現(xiàn)噪聲雜散耦合時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。有時(shí)布局決定了非預(yù)期信號(hào)或?qū)討?yīng)交叉耦合至不同層。同樣，調(diào)試敏感系統(tǒng)時(shí)應(yīng)注意這一點(diǎn)。該問(wèn)題可能出現(xiàn)在下面一層。