PCB设计中电源处理与平面分割

英炜硬十 2024-02-25 02:51:57

a) 小电源优先在信号层铺铜,其次通过满足载流的走线连接;

小电源(PCB设计中的电流比较小的电源)在设计中通常需要考虑信号完整性和电源分布的问题。在布局时,优先在信号层(通常是内层)铺铜,以提供地平面或电源平面的连接,以及信号的传输路径。这样可以有效地减少信号的串扰和传输延迟,提高信号质量。

然而,有时在信号层铺铜可能受到空间限制或其他设计要求的影响,因此需要通过走线连接来满足小电源的分布需求。这种情况下,需要注意以下几点:

走线规划:确保电源走线的路径短、宽度足够大,以降低电阻和电压降,并减少电磁干扰。避免走线穿越高速信号线或者敏感的模拟部分,以免干扰它们的正常工作。

地区域设计:在布局中,留出适当的地区域来放置电源分配网络元件(例如电容、电感等),以确保电源的稳定性和噪声抑制。

层间连接:如果在信号层无法满足电源分布的需求,可以考虑通过层间连接来实现。这可能包括通过通过孔(vias)连接到其他层上的地平面或电源平面,以提供更好的电源分布。

分区设计:将电源分布和信号区域划分成不同的区域,并在布局中尽量将它们分开,以减少互相干扰的可能性。这样可以更好地管理信号完整性和电源噪声。

综合考虑:在布局设计过程中,需要综合考虑信号完整性、电源分布、EMI(电磁干扰)等因素,并根据具体的应用需求进行权衡和优化。

b) 12V、5V 电源如果是开关电源的输入电源,优先在信号层处理掉(表层、内层信号层),如果一定要在平面层分割,不要用作重要信号线的参考平面;这样可以有效减小此类“高”压对信号的影响;

开关电源的输入电容纹波过大的话,会导致一些危害。

12V上的开关纹波耦合到了1V1平面。

本板的处理器为X86处理器。X86处理的core电压为符合规范的VID电源。VID电源的电流比较大,由12V电源经过DCDC而产生。而这个VID电源的MOS管的开关噪声影响了前级的输入12V。所有的DCDC输入都是这个12V的电源网络,所以这个开关电源反复开关产生的很大的对外的干扰。而1.1V的相邻的电源平面为12V,12V上的干扰耦合到了1.1V平面。

c) 如果分割出的电源平面用作信号的参考平面,电源平面优先作为用电模块的信号参考平面;如果有多个电源,优先参考电压低的电源;例如 DDR3,使用的是 1.5V 电 源,则 1.5V 电源平面可以用作 DDR3 模块的信号参考平面,但不要参考其他电源;(通常 DDR3 数据参考地平面,地址控制信号参考其电源平面)

d) 电源平面和地平面紧相邻,如果电源平面相邻的是信号层,尽量在信号层多补一些 GND 铜,并打 GND 过孔;

在PCB设计中,电源平面和地平面紧密相邻的布局是为了提供更好的电源分配和地引线。当电源平面相邻的是信号层时,为了减少电源平面和信号层之间的串扰和噪声,会采取以下措施:

增加地铜:在信号层尽量增加地铜,这可以通过在信号层铺设地铜来实现。增加地铜有助于减少信号层与电源平面之间的电磁耦合,并提供更好的电磁屏蔽效果。

GND过孔:在信号层与电源平面之间打上GND过孔。这些过孔将信号层的地引线直接连接到地平面,有效地减少了地回流路径的电阻,降低了信号线的地电位波动,减少了地回流路径上的电流循环。

通过这些措施,可以最大程度地降低信号层与电源平面之间的串扰和噪声,提高信号的质量和稳定性。这种布局设计有助于保证电路的性能,并减少潜在的干扰和问题。

e) 分割线宽度要合理;分割线宽度和两个电源的电压差有关,一般推荐:模数之间分割宽度:25mil;数字之间分割宽度 15mil,局部可以更小一些;分割线宽度也可以根据板上空间情况灵活调整,原则上越大越好;

f) 机壳地分割隔离宽度优先 2mm,局部根据情况调整,一般要求不小于 1mm;其他 信号远离机壳地,包括信号线、过孔、铺铜等;

g) 如果电源/地平面有分割,注意相邻信号层信号线不要跨分割,尽量避免分割开的参考平面上有高速信号的跨越。

h) 分割的电源过孔避开隔离带,隔离带避铜,会导致此类电源过孔没有连接;

i) 模拟区域的电源,为了减小电源对信号的影响,一般不推荐大面积铺电源网络铜, 一般是在信号层处理掉,电源铺铜或者走线满足载流即可,其他区域尽量多铺地铜 和打地过孔;

j) 高压电源和低压电源要分区,间距越大越好;避免高压干扰低压电源和信号;

k) 常见的爬电避让间距:

i. 电压<24V 时,表层盖阻焊、间距≥0.13mm;表层不盖阻焊、间距≥0.64mm

ii. 24V≤电压<48V 时、初级侧间距≥0.5mm,次级侧间距≥0.2mm;

iii. 48V≤电压<100V 时,间距≥1mm

iv. 100V≤电压<200V 时,间距≥1.5mm

v. 200V≤电压<400V 时,间距≥2.5mm

vi. 400V≤电压<600V 时,间距≥3.2mm

vii. 电压≥600V 时,间距≥5mm

l)确认电源、地能承载足够的电流。过孔数量是否满足承载要求

(估算方法:外层铜厚1oz时1A/mm线宽,内层0.5A/mm线宽)

m)为降低平面的边缘辐射效应,在电源层与地层间要尽量满足20H原则。

(条件允许的话,电源层的缩进得越多越好)。

“20H原则”是指要确保电源平面边缘比地平面(0V参考面)边缘至少缩进相当于两个平面之间间距的20倍,其中H就是指电源平面与地平面之间的距离,如下图。

为什么需要20H原则?

在高速PCB中,通常电源平面和地平面间相互耦合RF能量成为边缘磁通泄露情况,而且RF能量(RF电流)会沿着PCB边缘辐射出去,为了减少这种耦合效应,所有的电源平面物理尺寸都要比最近邻的地平面尺寸小20H。

n)如果存在地分割,检查避免分割的地是否不构成环路?

o)相邻层不同的电源平面是否避免了交叠放置?

p)保护地、GND的隔离是否大于4mm?

q)靠近带连接器面板处是否布10~20mm的保护地,并用双排交错孔将各层相连?

r)电源走线有效宽度检查:正负片铜是否有打断(BGA、过孔密集、以及过孔密集处是否有高速总线),需重点关注0.8mmBGA。

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