1小时学会PDN设计(五)

2019年5月9日 FireSu 1568  0  0
PDN布局布线的原则是什么?

本章为PDN的最后一篇理论知识,讲解PCB布局和布线时需要注意的因素。

 

PCB的设计的设计原则是什么?

PCB的作用至关重要,就是将电源和去耦电容的电荷,尽可能无损耗的传输给负载,保证负载正常运行。PCB布局布线不合理会直接导致传输路径上ESRESL偏高,即使VRM性能优良,去耦电容性能强劲,PDN也会一塌糊涂。

所以我们在PCB布局布线时,需要:

尽可能地降低ESR,保证PDN在低频时满足阻抗要求。

尽可能地降低ESL,保证PDN在高频时满足阻抗要求。

 

布局布线对于ESRESL的影响基本是一致的:线越粗,越短,走的越直。ESRESL值越低。(传说中的粗短直理论)

如下图,以双面布局为例,ICTOP面,去耦电容在Bottom面。(这幅图中,传输路径VCC端,布局布线很差,传输路径的GND端,布局布线很好,用于做对比)

在设计前,首先明确电流的流向,明确电流通路,电源完整性有两个重要定理:A.电流总是走最短路径;B. 电流必须有返回路径。

去耦电容相当于为负载提供高频电流的电源,所以电流总是从电容的正极出发,经过PCB,给到负载正极,再通过负载的GND管脚流出,通过PCB,流回电容负极。

https://mmbiz.qpic.cn/mmbiz_jpg/vdw7CDibvdf7G9fXbDc6evD1icJ0GSoaibqRSAq8zluPW9DMVq5wucMWzCm9MLvHZmNVKJXOibWbvkJcHq7X9dFfbg/640?wx_fmt=jpeg

明确电流流向后,我们开始布局布线。

1.布局时靠近供电区域放置。按照走线越短原则,双面布局,势必要求电容的布局在IC相应供电pin脚的正下方,原本没有方向的电容,好像变得有方向了。电容的VCC端最好在ICVCC正下方,电容的GND端最好在ICGND端的正下方。如果ICGND端正下方是电容的VDD端,那么PDN将大打折扣,环形电流路径上ESL越大(相当于绕线电感)。

2.基于电流流向,走线粗短直。如图,VCC经过3个不同的位置过孔,从Bottom分别经过4-3孔,3-2孔,2-1孔,到Top面,3个过孔垂直方向不在一条线上,ESL大。而GNDTop经过31-4孔,直接到bottom层,ESLESR就小。不同层的过孔尽量垂直于一条线上,即使无法保证垂直于1条线,每层孔与孔的位置不要太远。

3.基于电流流向,增加并联支路。基于电流流向,如果有过孔,可以增加过孔的数量。如GND路径,从Top1-4孔,到Bottom。原本11-4过孔的寄生参数为6pH,打3个过孔,ESL就变成了2pH,降低了3倍,优化明显。

4.保证局部电源平面和局部地平面的完整性。可以在垂直于IC供电引脚的下方,建立VCC平面区域,在垂直于IC GND引脚的下方,建立GND平面区域。保证电容的电荷,从电容出发,经过走线和过孔,流到电源平面,在经过走线和过孔,给到负载。电流通过负载的GND管脚,通过走线和过孔,流回GND平面,再通过走线和过孔,流回电容GND端。如果电源的供电管脚存在多个,建立平面后,可以实现1颗电容为所有管脚去耦。

5.平面尽量靠近负载侧。如4层板,负载在1层,那平面优先考虑1层和2层。若6层板,负载在1层,平面优先考虑2层,3层。

以上原则,对单面布局同样适用,单面布局的难点仍然是平面能否保持完整?在PCB分层时,一定要仔细推敲,避免平面被信号打散。

 

至此,PDN的所有理论知识全部讲解完毕。

但是光有理论是不够的,硬知识强调用工具来辅助设计,后面我们将使用Hyperlynx仿真工具来为大家讲解3部分电源完整性仿真的实战内容:Hyperlynx去耦电容的模型加载,PDN PCB布局前仿真,PCB布局后仿真。

Hyperlynx工具包和操作教程,大家可免费下载,下一章提供下载路径。

 

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