便攜式系統(tǒng)PDS分析與設(shè)計(jì)

梁 茂，戴世通

(西安理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054)

便攜式系統(tǒng)PDS分析與設(shè)計(jì)

梁 茂，戴世通

(西安理工大學(xué) 工程訓(xùn)練中心，陜西 西安 710054)

研究了模擬、數(shù)字和射頻混合電路便攜式設(shè)備中PCB板電源傳輸系統(tǒng)(PDS)的設(shè)計(jì)方法，以及由電源傳輸系統(tǒng)引起的信號(hào)完整性問題。對(duì)PDS去耦網(wǎng)絡(luò)中電容容量和數(shù)量做了定量和定性分析及研究，從電容提供電流速度這一角度給出了電容在PCB設(shè)計(jì)中布局的方法，以及電源傳輸系統(tǒng)引起的信號(hào)完整性問題的解決方法。該方法是經(jīng)過大量智能便攜式產(chǎn)品設(shè)計(jì)和測試總結(jié)與歸納后得出的，解決了設(shè)計(jì)和測試過程中出現(xiàn)的很多問題，也為新產(chǎn)品的開發(fā)在電源設(shè)計(jì)方面提供了新思路。

電源噪聲；PDS；電源完整性

0 引言

隨著智能便攜式設(shè)備的高速發(fā)展，當(dāng)前智能便攜式設(shè)備系統(tǒng)集成了數(shù)字、模擬、射頻、存儲(chǔ)器、傳感器等各種功能模塊，同時(shí)超薄智能便攜式設(shè)備日益風(fēng)行，使智能便攜式設(shè)備的PCB板越來越小，集成度越來越高。系統(tǒng)向更高速度和更大功率發(fā)展的進(jìn)程中，電源完整性(Power Integrity，PI)分析與設(shè)計(jì)已成為高速設(shè)計(jì)中的重中之重，PI直接影響著系統(tǒng)的各個(gè)方面。

圖1 典型的運(yùn)算放大器電路

圖2 考慮寄生效應(yīng)后的運(yùn)算放大器電路

當(dāng)前智能便攜式設(shè)備PCB普遍采用多層高速的平面電源總線結(jié)構(gòu)，使電源分配網(wǎng)絡(luò)的組成非常復(fù)雜，互聯(lián)結(jié)構(gòu)異常龐大。存在由封裝引腳和印制線過長形成的寄生電感，焊盤到地、焊盤到電源平面和焊盤到印制線之間形成的寄生電容，通孔之間的相互影響，以及許多其他可能的寄生效應(yīng)[1]等問題。圖1是典型的運(yùn)算放大器電路，圖2是考慮寄生效應(yīng)后的運(yùn)算放大器電路。由于寄生效應(yīng)的影響，到達(dá)實(shí)際器件的電源與地引腳的電壓可能產(chǎn)生很大的波動(dòng)。這種電源波動(dòng)會(huì)導(dǎo)致兩種問題：信號(hào)路徑中的同時(shí)開關(guān)噪聲(Simultaneous Switching Noise，SSN)和電源供電軌道坍塌[2]。SSN大多發(fā)生在并行總線中，由于共地造成相鄰信號(hào)線之間的耦合增強(qiáng)，各信號(hào)線之間的耦合電感可能會(huì)導(dǎo)致非常嚴(yán)重的串?dāng)_。這類噪聲是由耦合電感(即互感)產(chǎn)生的。對(duì)于電源來說，當(dāng)通過電源/地路徑的電流變化時(shí)，特別是有大電流輸出時(shí)，在電源路徑和地路徑的阻抗上將產(chǎn)生一個(gè)壓降。當(dāng)這個(gè)壓降變得嚴(yán)重時(shí)，就會(huì)形成電源供電軌道坍塌。導(dǎo)致這一問題的原因之一就是電源系統(tǒng)功率得不到及時(shí)可靠的傳輸，也就是系統(tǒng)的PDS設(shè)計(jì)不當(dāng)。因此，設(shè)計(jì)優(yōu)良的PDS是智能便攜式設(shè)備電源PI的關(guān)鍵所在，它決定整個(gè)智能便攜式設(shè)備系統(tǒng)的可靠性和穩(wěn)定性。優(yōu)良的PDS應(yīng)該滿足以下兩個(gè)要求：(1)在噪聲可以接受的條件下，電流能得到及時(shí)可靠的傳輸；(2)保證智能便攜式設(shè)備板上的其他模擬信號(hào)和射頻信號(hào)的完整性，同時(shí)將智能便攜式設(shè)備的電磁輻射控制在合理的范圍內(nèi)。

1 PDS去耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

在解決電流不能及時(shí)傳輸這個(gè)問題前，首先要了解是什么原因?qū)е码娏鞑荒芗皶r(shí)傳輸。其實(shí)電流不能及時(shí)傳輸主要是由于智能便攜式設(shè)備的PDS中存在多種阻抗不連續(xù)造成的。常見的阻抗不連續(xù)有電池-PCB、PCB-封裝和封裝-裸芯片等。這些不連續(xù)使得PDS電流通路上的擴(kuò)散電感增加，在PDS通路上就會(huì)產(chǎn)生很大的電源彈和地彈。在脈沖電流發(fā)生的過程中，這些電感感受到通過自身電流的變化，就會(huì)產(chǎn)生一個(gè)感應(yīng)電壓以阻止或減小電流的變化，這種反作用導(dǎo)致了電流的及時(shí)傳輸被延時(shí)。解決這個(gè)問題的最好辦法就是在PDS上設(shè)計(jì)去耦網(wǎng)絡(luò)，在電流不能及時(shí)傳輸給IC時(shí)，讓去耦網(wǎng)絡(luò)起到輸送電流的作用。因此，必須有一個(gè)替代性的去耦網(wǎng)絡(luò)在脈沖電流發(fā)生時(shí)為IC提供及時(shí)的電荷以確保電流的及時(shí)傳輸，否則IC將會(huì)工作失常。設(shè)計(jì)去耦網(wǎng)絡(luò)最重要的參數(shù)就是去耦網(wǎng)絡(luò)所應(yīng)該提供的目標(biāo)去耦時(shí)間，而這個(gè)時(shí)間就是PDS通路上由串聯(lián)電感所引起的延時(shí)。去耦網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)延時(shí)TL[2]表達(dá)式為：

(1)

TC≥TL

(2)

如果已知電容網(wǎng)絡(luò)的去耦時(shí)間TC，就可以估算出去耦網(wǎng)絡(luò)的總電容量[2]：

(3)

去耦網(wǎng)絡(luò)電容值已可以準(zhǔn)確估算，以此選擇去耦電容的數(shù)量、種類和位置，使功率能夠及時(shí)連續(xù)地傳輸。

首先分析如何確定電容的數(shù)量，即如何確定大電容和小電容的組合。假設(shè)充滿電容器兩端被短接時(shí)兩端的電壓降△V(△V是IC電源的噪聲容限)的時(shí)間間隔是T△。對(duì)于給定的△V，T△與電容的串聯(lián)電感、串聯(lián)電阻和電容值相關(guān)，隨著容值的增加這三個(gè)參數(shù)都是單調(diào)遞增[3]。從電容器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中可以查到，電容的容值越大封裝越大，封裝越大寄生電感就越大。因此，對(duì)于給定的電容量和噪聲容限，使用多個(gè)小封裝的電容器比一個(gè)大容量的電容器更能有效提高電容器的供電速度[4]。而在T△之后，去耦電容器就不能繼續(xù)提供電荷，必須再次充電。否則，IC就會(huì)由于供電電壓下降太多而不能正常工作。這時(shí)就需要下一級(jí)電容器為IC提供電流。依據(jù)工程實(shí)踐中的2倍原則，去耦電容器最大的T△必須小于功率傳輸延時(shí)或者總?cè)ヱ顣r(shí)間的一半：

(4)

同時(shí)下一級(jí)電容的T△小于當(dāng)前級(jí)電容的T△，如下式：

TΔ(i)

(5)

對(duì)于上述約束條件，通過示例可以很容易理解。假設(shè)最快的電容器(即第一級(jí)電容器)選為22nF，那么第二級(jí)電容器就應(yīng)該選為47nF，第三級(jí)電容器為0.1μF。這時(shí)應(yīng)為47nF電容的T△小于22 nF電容器T△的兩倍。如果總的去耦時(shí)間為1 μs，那么最高級(jí)別電容器的T△應(yīng)小于0.5 μs[5]。在上述分析的基礎(chǔ)上可以得出如下結(jié)論：當(dāng)一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)開始下降時(shí)，另一個(gè)電容器的頻率響應(yīng)開始起作用，所以能在多個(gè)十倍頻程范圍內(nèi)保持很低的AC阻抗。圖3是電容器阻抗與頻率的關(guān)系，給出了采用多個(gè)并聯(lián)電容器的優(yōu)點(diǎn)，在低頻段大的電容器提供低阻抗的接地通路；在高頻段小的電容器提供低阻抗的接地通路。圖4是依據(jù)以上規(guī)則設(shè)計(jì)的某智能便攜式設(shè)備在通話狀態(tài)下實(shí)測核電源紋波波形，紋波完全滿足該電源的噪聲容限。

圖3 電容器阻抗與頻率的關(guān)系

圖4 核電壓紋波波形

另一方面，去耦網(wǎng)絡(luò)在PCB中相對(duì)于IC的位置也非常重要，這在大量的工程實(shí)踐中已被證明。電容應(yīng)按照其容量和封裝依次由小到大靠近電源IC管腳放置。如圖5所示。靠近IC一圈是封裝最小的0201電容，然后是封裝為0402的電容。

圖5 去耦電容在PCB上的布局

2 防串?dāng)_的PDS返回路徑設(shè)計(jì)

圖6 完整地平面上的單點(diǎn)接地

在智能便攜式設(shè)備的PCB設(shè)計(jì)過程中，設(shè)計(jì)人員更多關(guān)注的是射頻信號(hào)、時(shí)鐘信號(hào)和音頻模擬信號(hào)等，把所有精力都放在這些信號(hào)的設(shè)計(jì)上，想盡一切辦法對(duì)這些信號(hào)實(shí)施保護(hù)隔離等措施，很少去關(guān)注信號(hào)實(shí)際的返回路徑。這樣的設(shè)計(jì)使同步開關(guān)噪聲(SSN)通過PDS傳播成為可能。尤其是電源/地平面常常作為其他信號(hào)的參考平面和返回路徑，使設(shè)計(jì)不合理的電源/地平面就成為噪聲傳播的主要途徑[6]。以GSM制式的手機(jī)為例，音頻信號(hào)的返回路徑必須重點(diǎn)關(guān)注，在一些極端情況下，甚至需要將音頻信號(hào)的返回路徑單獨(dú)設(shè)計(jì)，以粗線的形式返回基帶IC的音頻GND引腳，再通過單點(diǎn)的方式接到整層的地平面上。如圖6、圖7所示為某智能便攜式設(shè)備PCB上的單點(diǎn)設(shè)計(jì)中第四層完整地平面上的單點(diǎn)接地。

圖7 PCB完整地平面上的單點(diǎn)接地

因此，避免SSN通過PDS傳播，需要從以下三個(gè)方面設(shè)計(jì)PDS。

2.1 設(shè)計(jì)完整的地平面以減少返回路徑的不連續(xù)

對(duì)于理想的傳輸線而言，返回電流分布在信號(hào)電流正上方或正下方的參考平面上，信號(hào)電流和返回電流接近布線可減小整個(gè)回路的阻抗，從而使信號(hào)能高質(zhì)量地傳輸，簡言之，即電流總是以阻抗最小的回路流動(dòng)[4]。對(duì)于便攜式設(shè)備系統(tǒng)而言，高頻率導(dǎo)致的高感抗使得回路電感變得更為重要，應(yīng)該保證盡量低的回路電感，使返回路徑連續(xù)。如圖8所示，返回路徑出現(xiàn)不必要的分割，使電源適配器的返回路徑不連續(xù)，造成回路面積增大，形成返回路徑的阻抗突變，返回電流在阻抗不連續(xù)的地方激起較大的電壓波動(dòng)。這在智能便攜式設(shè)備系統(tǒng)上表現(xiàn)出的問題就是設(shè)備在做插適配器ESD測試時(shí)出現(xiàn)重啟。解決類似不連續(xù)問題的最好方法是：盡最大努力減少PCB的表層布線，使表層GND平面完整、連續(xù)。大量的實(shí)踐表明，完整的平面是最理想的返回路徑，但在實(shí)際的設(shè)計(jì)中一些非理想的互連是很難避免的，這需要在設(shè)計(jì)中根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行權(quán)衡。

圖8 返回路徑不連續(xù)

2.2 特殊電源返回路徑避免與敏感信號(hào)回路重疊

在智能便攜式設(shè)備PCB這種高密度的互連系統(tǒng)中，避免各個(gè)信號(hào)走線之間的串?dāng)_也是系統(tǒng)噪聲控制的一項(xiàng)主要內(nèi)容。在這種多走線互聯(lián)結(jié)構(gòu)中，走線之間的容性串?dāng)_和感性串?dāng)_可能導(dǎo)致信號(hào)的不完整[9]。當(dāng)多條走線共用返回路徑時(shí)，感性串?dāng)_將表現(xiàn)得非常突出，特別是當(dāng)多條信號(hào)同時(shí)切換時(shí)，將導(dǎo)致嚴(yán)重的返回路徑噪聲，這種噪聲嚴(yán)重時(shí)可導(dǎo)致系統(tǒng)間斷性故障[8]。因此，像DC-DC一類干擾非常大的電源，返回路徑必須嚴(yán)格控制[7]。在智能便攜式設(shè)備的研發(fā)過程中，開關(guān)頻率串?dāng)_到射頻載波上的情況非常普遍。這類問題主要從以下幾個(gè)方面來解決：(1)DC-DC電源在PCB的位置遠(yuǎn)離射頻模塊、音頻模塊和模擬器件等，可以將開關(guān)電源模塊單獨(dú)放在一個(gè)屏蔽腔內(nèi)。(2)縮短返回路徑，針對(duì)開關(guān)頻率添加去耦電容旁路噪聲，使開關(guān)噪聲通過最短路徑返回電源。(3)返回路徑單點(diǎn)接地，避免與其他信號(hào)共用返回路徑，最大程度地減小串?dāng)_的發(fā)生。

以圖9的BUCK電路為例，分析開關(guān)電路中di/dt在電流傳輸路徑中的危害及解決方法。開關(guān)閉合充電的過程中，通過開關(guān)、電感，然后是輸出電容，最后又通過地流回輸入電容。在放電過程中，電感迫使電流通過輸出電容、地、續(xù)流二極管，然后流回電感。充放電的過程中會(huì)出現(xiàn)續(xù)流二極管路徑電流不連續(xù)的情況，出現(xiàn)陡峭的邊緣[8]。因此，理想的解決辦法是將二極管的陽極直接聯(lián)到輸入電容的接地端，強(qiáng)制地電流連續(xù)流通，使GND回流電流等同于電感電流，顯著降低充放電過程中通過續(xù)流二極管的di/dt變化。

圖9 降壓開關(guān)電源電流路徑

2.3 平面PDS設(shè)計(jì)

PCB電路向高密度發(fā)展的總趨勢是采用平面電源總線，參考平面是PCB中完整的薄銅片，其在智能便攜式設(shè)備PCB設(shè)計(jì)中作用極為重要。如果沒有設(shè)計(jì)良好的參考平面，就不可能獲得高性能而又符合EMI要求的智能便攜式設(shè)備產(chǎn)品。好的電源/地平面的設(shè)計(jì)能使便攜式設(shè)備系統(tǒng)得到很好的功率傳輸[10]，同時(shí)還起到提高信號(hào)完整性和控制EMI的作用。良好的平面PDS設(shè)計(jì)有以下優(yōu)點(diǎn)：(1)為PCB上所有器件提供一個(gè)在很高頻率范圍內(nèi)干凈穩(wěn)定的參考電壓。(2)為高速信號(hào)提供一條低阻抗的返回路徑，從而使高速信號(hào)傳輸成為可能，保證高速載波在PCB上傳輸。射頻信號(hào)一般以微帶線或帶狀線完成在PCB上的走線，返回電流位于信號(hào)線的正下方以獲得最小回路阻抗。(3)為高速信號(hào)提供最小的返回路徑，減小了回路面積和阻抗，從而減小回路的輻射。

總之，平面PDS設(shè)計(jì)為電流提供了一條低阻抗電流通路，這種低阻抗通路提高了功率傳輸?shù)男省⒏咚傩盘?hào)傳輸?shù)馁|(zhì)量并減小了高速信號(hào)的EMI問題。

3 結(jié)論

筆者以多年從事智能便攜式設(shè)備PCB設(shè)計(jì)工作的基礎(chǔ)上，從多個(gè)角度深入分析和研究了智能便攜式設(shè)備PCB電源傳輸系統(tǒng)(PDS)的設(shè)計(jì)方法，提出了由PDS設(shè)計(jì)不當(dāng)導(dǎo)致的電流不能及時(shí)傳輸和其他信號(hào)不完整問題的解決方法。同時(shí)本文所述的方法經(jīng)過了大量實(shí)踐檢驗(yàn)，解決了大量工程實(shí)踐中遇到的問題，如文中提到的感性不連續(xù)問題、PDS串?dāng)_耳機(jī)信號(hào)和開關(guān)電源供電不足等問題。該方法為智能便攜式設(shè)備PCB板PDS設(shè)計(jì)和研究提供了一個(gè)新的方向。設(shè)計(jì)規(guī)則簡單易懂。在設(shè)計(jì)之初，再結(jié)合Cadence仿真工具能得到更好的設(shè)計(jì)效果。該方法可以有效地運(yùn)用于PDS的綜合設(shè)計(jì)。

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Analysis and design of portable system PDS

Liang Mao，Dai Shitong

(Engineering Training Center, Xi’an University of Technology, Xi’an 710054, China)

This paper mainly gives a research on the design method of PCB boards PDS in analog, digital and radio frequency mixing circuit, and the signal integrity problems caused by power transmission. A quantitative and qualitative analysis and research were given on the capacitance and quantity of PDS decoupling network. A method on how to layout the capacitance in the PCB design was given from the perspective of current capacitance speed providing, as well as the system solutions of both signal integrity problems caused by power transmission and the signal integrity problem caused by power output system . The methods have been summarized from a large number of designing and testing process of intelligent products, many of the problems appeared in the process of designing and testing have been solved by this methods, which also provided the guiding ideology for the designing of power supply of new products.

power noise; PDS; power integrity

TN402

A

10.19358/j.issn.1674- 7720.2017.09.011

梁茂，戴世通.便攜式系統(tǒng)PDS分析與設(shè)計(jì)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2017,36(9)：34-37.

2017-01-05)

梁茂(1981-)，男，碩士，講師，主要研究方向：電源分配系統(tǒng)及電源完整性。

戴世通(1983-)，男，碩士，講師，主要研究方向：工業(yè)機(jī)器人的研究與開發(fā)。