電源分配網路設計指南
1 分鐘
- 什麼是電源分配網路(PDN)?
- 為何電源完整性如此重要
- PDN 設計目標(與達成方法):
- PCB 佈局策略實現良好 PDN
- PDN 設計工具與模擬:
- 設計範例:高速 FPGA 板之 PDN
- 結論:
我們在文章中經常談論訊號、阻抗與差動對。沒錯!訊號的傳播並不簡單,需要遵循許多準則。然而在這一切之中,人們往往忘了電源完整性;若沒有良好的電源完整性,訊號表現會大打折扣。沒有優秀的電源分配網路(PDN),你的訊號充其量只是銅箔上的塗鴉。
本文將從 PCB 的角度探討 PDN 設計準則,了解什麼才是真正良好的 PDN。讀完後你會發現,電源傳遞不只是「配管」,而是精密工程。
什麼是電源分配網路(PDN)?
電源分配網路(PDN)是由平面、走線、導通孔、去耦電容與穩壓器組成的系統,負責將電源從來源傳遞到 PCB 上的主要 IC。IC 的供電是 PDN 最關鍵的一環,若路徑出現壓降,IC 將無法獲得足夠電流,導致跨 IC 的電壓降增加,進而產生誤動作。
電源分配不僅是從源頭到穩壓器,也包含從穩壓器/PMIC 到主電路。去耦電容在 PDN 中也扮演重要角色。因此一條 PDN 鏈包含:
輸入連接器 > 穩壓器/PMIC > 去耦網路 > 電源平面 > 主要 IC > 地回歸路徑 > 去耦電容。
為何電源完整性如此重要
電源完整性(PI)是 PDN 在所有工作條件下,為所有 IC 提供乾淨、穩定、低雜訊電壓的能力。其重要性如下:
- 電壓跌落:當 IC 突然需要電流時,供應電壓可能下降,導致邏輯錯誤。透過適當的去耦與大容量電容即可解決。
- 地彈跳:回流電流可能改變地參考電位,使訊號失真。此時地不再維持 0 V,而是 0.1 V 之類的電壓。
- 雜訊耦合:PDN 中的切換雜訊可能輻射成 EMI,或竄入敏感的類比電路。降壓/升壓轉換器常見此問題。
PDN 設計目標(與達成方法):
1. 低阻抗路徑
在整個工作頻率範圍內,將 PDN 阻抗維持在目標值以下,例如 <50 mΩ,可透過特性阻抗圖量測。高阻抗會在負載下產生更大的電壓波動,使 PDN 表現更差。
PCB 中建議使用完整電源平面而非長走線,並搭配短且直接的回流路徑。承載大電流的走線要加寬,可用任何線上工具或 JLCPCB 提供的 Python 開源碼計算。
2. 穩定電壓(最小化跌落)
每顆 IC 都需要穩定的輸入電壓,容差通常為 ±3–5%,相關數據可在 IC 資料表的電氣特性欄位找到。若未達準則,小幅跌落就可能使現代 IC 邏輯誤觸發。例如負載突變時,電荷若需從主電源遠距離供應,整體感抗會增加,導致 去耦 問題,如電壓過衝與衰減等二階效應。
PCB 中建議在電源進入點放置至少一顆大容量電容(低頻穩定),並在 IC 接腳附近放置陶瓷去耦電容(高頻暫態)。多顆電容可覆蓋寬頻範圍,但選值需遵循 JLCPCB「去耦與諧振」文章中的準則。
3. 雜訊抑制
現代 IC 工作於 GHz 範圍,任何雜訊都可能毀掉資料;此外切換式轉換器雖提供穩定電壓,卻伴隨高頻漣波。
PCB 設計中需混用不同容值(如 0.1 µF、1 µF、10 µF)且選用低 ESL/ESR 電容,不僅用於電源線,也抑制任何連接到電源軌的其他雜訊源。
4. EMI 與地彈跳控制
若電源傳遞不佳,回流路徑也會變差,導致不必要的輻射與地電位漂移。高電流經由不良路徑返回會產生 EMI 與彈跳。
PCB 設計中應提供連續且不分割的地平面,並將電源與地平面緊貼於預浸層上下疊放,以抑制電磁場跨層耦合。
PCB 佈局策略實現良好 PDN
電容擺放:
- 盡可能靠近 IC 電源接腳。
- 多種容值以覆蓋寬頻。
- 分散擺放避免熱點。
導通孔設計:
- 關鍵去耦使用焊盤內導通孔。
- 避免長導通孔殘段(會增加電感)。
電源域:
- 類比與數位電源分離。
- 將雜訊高電流軌與敏感軌隔離。
回流路徑:
- 高速訊號下方絕不切割地平面。
- 確保回流路徑連續無阻。
PDN 設計工具與模擬:
透過所選疊構模擬設計,可實現更佳 PDN。方法如目標 阻抗,即定義最大允許阻抗(Ztarget)。PDN 阻抗在整個頻率範圍內應低於 Ztarget 以達最佳效能,可多次模擬以獲得更佳曲線。
工具:Keysight ADS、Ansys SIwave、Cadence Sigrity。
設計範例:高速 FPGA 板之 PDN
試想為 FPGA 核心軌(1.0 V、40 A、GHz 切換)設計 PCB:
- 大容量電容:靠近 VRM 處理慢速暫態。
- 中值電容(1 µF、10 µF):分散於 FPGA 附近。
- 小型陶瓷電容(0.01 µF、0.1 µF):直接置於 FPGA 接腳下方。
- 疊構:電源與地平面緊密相鄰。
良好的 SI/PI 疊構可為:
- Top — 訊號(元件面)
- L2 — 地(完整)
- L3 — 電源(所有電源;必要時分割島區)
- L4 — 電源(或其他電壓平面分割)
- L5 — 地(完整)
- Bottom — 訊號(銲錫面)
如此可確保短回流路徑、嵌入式去耦與低 EMI。
結論:
訊號或許是舞台焦點,但若沒有穩固的電源分配網路,它們就像沒電的搖滾樂團瞬間崩盤。PDN 是 PCB 設計的無名英雄,確保每顆 IC 獲得乾淨、穩定、無雜訊的電源。以下依設計目標彙整 PCB 設計策略:
運用上述準則與有效策略,即可設計出更優異的 PDN,亦可自由進行模擬。如需更多協助,JLCPCB 設計工程團隊隨時待命,並持續推廣此類知識。
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