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硬件電路設(shè)計(jì)需要電源完整性
在硬件電路設(shè)計(jì)中，電源完整性非常重要。因現(xiàn)代PCB上的電路需要電壓和電流保持在其供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）內(nèi)的所需水平，且變化很小。波動(dòng)太大的功率會(huì)破壞信號(hào)的預(yù)期性能，并產(chǎn)生錯(cuò)誤的響應(yīng)。
當(dāng)您嘗試查找和糾正這些問題時(shí)，此類問題可能會(huì)在調(diào)試階段引起您大量的精力。為了避免這些麻煩，重要的是要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)具有良好PDN的硬件電路設(shè)計(jì)。但是，在進(jìn)入該池的最深層之前，您應(yīng)該首先了解什么是電源完整性。我們將在這里簡要介紹硬件電路設(shè)計(jì)中的電源完整性的基礎(chǔ)知識(shí)，以幫助您入門。
電源完整性：為組件供電
電路板上的不同設(shè)備都需要向其供電。多年以前，電路板上的通用集成電路（IC）設(shè)備只有一個(gè)電源和一個(gè)接地引腳。那時(shí)為印刷電路板提供電源網(wǎng)絡(luò)很容易。您只需在板層堆疊中創(chuàng)建一架用于供電的飛機(jī)和一架用于接地的飛機(jī)。然后，您可以將IC的電源和接地引腳連接到適當(dāng)?shù)钠矫妫迦胍恍┡月冯娙荩缓蟊４妫〈蠊Ω娉?span lang="EN-US"> 然而，如今，PCB中使用的復(fù)雜IC的電源需求變得更加復(fù)雜。
現(xiàn)在的電路板仍將具有電源和接地平面，但是管理電源傳輸網(wǎng)絡(luò)比將IC的電源和接地引腳簡單連接到它們要復(fù)雜得多。每個(gè)IC將需要提供嚴(yán)格控制以符合其電源要求的電源。電路板上良好的電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)是提供穩(wěn)定的參考電壓，并以可接受的噪聲和容忍水平將功率分配給所有設(shè)備。仔細(xì)管理電路板上所有設(shè)備的電源，以保持一致的電壓水平，這就是所謂的電源完整性。
仔細(xì)設(shè)計(jì)硬件電路的電源和接地層對(duì)于良好的電源完整性至關(guān)重要
實(shí)現(xiàn)良好的電源完整性的挑戰(zhàn)
當(dāng)板上的設(shè)備本質(zhì)上更簡單，只有一個(gè)電源和一個(gè)接地連接時(shí)，噪聲容忍度就不那么嚴(yán)格了。使用額外的電容器可以輕松控制過多的噪聲。這些設(shè)備中的開關(guān)速度也不會(huì)產(chǎn)生與當(dāng)今高速設(shè)備相同的問題。
如今，隨著處理器芯片采用大型球柵陣列（BGA）封裝，對(duì)功率的要求更加嚴(yán)格。這些設(shè)備中有數(shù)百個(gè)電源和接地引腳，每個(gè)設(shè)備可能需要多個(gè)電源電壓，其中一些電壓會(huì)降低到一伏以下。這些引腳還為處理器完成工作時(shí)拉動(dòng)了許多安培電流，而要提供“干凈”的電源，則需要龐大的電容器網(wǎng)絡(luò)。
為了理解所有這些工作原理以及如何更好地滿足這些復(fù)雜設(shè)備的電源需求，對(duì)電源完整性的研究變得非常重要。在電路板上創(chuàng)建良好的電源完整性意味著了解電源將如何通過硬件電路設(shè)計(jì)的PDN傳播。這包括從電源到布線和過孔，電源和接地層對(duì)，電容器以及設(shè)備本身的所有內(nèi)容。
板層堆疊中的電源平面配置對(duì)于電源完整性也很重要
其他電源和地面問題
電源完整性還與電源傳輸網(wǎng)絡(luò)的其他一些問題聯(lián)系在一起。其中一些包括：
接地反彈：也稱為同時(shí)切換噪聲或SSN，當(dāng)許多信號(hào)同時(shí)切換時(shí)會(huì)發(fā)生接地反彈。當(dāng)處理器寫入內(nèi)存，并且數(shù)據(jù)信號(hào)全部同時(shí)切換時(shí)，可能會(huì)發(fā)生這種情況。如果信號(hào)由于切換的速度而沒有完全回到參考地電平，則它們會(huì)在信號(hào)上方“反彈”。這種地面反彈噪聲會(huì)產(chǎn)生錯(cuò)誤的開關(guān)，并有可能破壞或關(guān)閉設(shè)備。
電源紋波：電源的開關(guān)特性會(huì)引起電源紋波。這些紋波可能會(huì)在相鄰電路中產(chǎn)生串?dāng)_，從而損害信號(hào)的準(zhǔn)確性。再次，這可能導(dǎo)致電路中斷。
電磁干擾（EMI）：如果未正確配置，如何在硬件電路設(shè)計(jì)堆疊中布置電源平面會(huì)導(dǎo)致EMI問題。電源和接地層可以通過屏蔽信號(hào)層來幫助防止EMI影響信號(hào)層的性能，但前提是信號(hào)層位于這些層之間。
返回路徑：必須設(shè)計(jì)電路板的平面，以保留好的信號(hào)返回路徑。不幸的是，電源要求通常會(huì)留下大量的孔用于連接通孔和縫合通孔，并且多個(gè)電源可能會(huì)決定需要分離平面。所有這些都可能阻礙信號(hào)的良好返回路徑，從而導(dǎo)致信號(hào)完整性較差。
所有這些問題都必須與硬件電路設(shè)計(jì)分析一起考慮，以確保良好的電源完整性。上面概述的許多問題都可以通過戰(zhàn)略性地放置電容器和電阻器以及精心布置的電源平面來解決。
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