原创 PCB设计中的电源阻抗设计

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电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统（简称PDS，即Power Distribution System）。所谓电源分配系统，其作用就是给系统内的所有器件提供足够的电源，这些器件不但需要足够的功率消耗，同时对电源的平稳性也有一定的要求。大部分数字电路器件对电源波动的要求在正常电压的+/-5%范围之内。电源之所以波动，就是因为实际的电源平面总是存在着阻抗，这样，在瞬间电流通过的时候，就会产生一定的电压降和电压摆动。

    为了保证每个器件始终都能得到正常的电源供应，就需要对电源的阻抗进行控制，也就是尽可能降低其阻抗。比如，一个5伏的电源，允许的电压噪声为5%，随着电源电压不断减小，瞬间电流不断增大，所允许的最大电源阻抗也大大降低。而当今电路设计的趋势恰恰如此，参见下面微处理器性能参数变化的图表。综合各因素的影响，几乎每过三年，电源阻抗就要降为原来的五分之一，由此可见，电源阻抗设计对于高速电路设计者来说是至关重要的。

       在高速PCB设计中仅仅依靠电源自身的耦合降低阻抗是远远不够的。在设计电源阻抗的时候，要注意频率的影响，我们不但需要计算直流阻抗（电阻），还要同时考虑在较高频率时的交流阻抗（主要是电感），最高的频率将是时钟信号频率的两倍，因为在时钟的上升和下降沿，电源系统上都会产生瞬间电流的变化。一般可以通过下面这个基本公式来计算受阻抗影响的电源电压波动：         

    为了降低电源的电阻和电感，在设计中可采取的措施是：

1.使用电阻率低的材料，比如铜；

2.用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少长度；

3.降低接触电阻；

4.减小电源内阻；

5.电源尽量靠近GND；

6.合理使用去耦电容；

由于电源阻抗的要求，以往的电源总线形式已经不可能适用于高速电路，目前基本上都是采用了大面积的铜皮层作为低阻抗的电源分配系统。当然，电源层本身的低阻抗还是不能满足设计的需要，需要考虑的问题还很多，比如，芯片封装中的电源管脚，连接器的接口，以及高频下的谐振现象等等，这些都可能会造成电源阻抗的显著增加。解决这些问题的最简单也最有效的方案就是大量使用去耦电容。