在现代电子设计中,电源完整性(PI)是确保电路稳定运行的关键因素之一。特别是在高速数字电路中,同步开关噪声(SSO)成为影响电源完整性的主要问题。本文将介绍一种针对SSO噪声的层叠设计方法,帮助设计者有效降低SSO噪声,提升电源完整性。

电源完整性三重防护体系概述
电源完整性三重防护体系主要包括以下三个方面:
1、电源层与地平面的紧密耦合:通过将电源层直接相邻地平面,形成天然的去耦电容,降低电源阻抗,减少噪声。
2、合理的层叠设计:遵循20H原则处理电源层边缘,优化层叠结构,避免平面谐振。
3、关键区域的特殊处理:在关键BGA封装下方布置高密度平面缝合过孔,增强电流回流路径,降低阻抗。
SSO噪声抑制的层叠设计秘诀
1. 电源层与地平面的紧密耦合
在PCB设计中,将电源层直接相邻地平面,并保持较小的间距(小于4mil),可以形成约30pF/cm²的天然去耦电容。这种紧密耦合的结构有助于降低电源阻抗,减少SSO噪声的产生。此外,电源层与地平面的紧密相邻还可以为信号提供稳定的参考平面,提高信号完整性。
2. 20H原则处理电源层边缘
遵循20H原则处理电源层边缘,即电源层的内缩距离应大于20倍层间距(典型值为80mil)。这一设计可以有效减少边缘效应,降低电磁干扰(EMI),同时避免电源层与地平面之间的寄生电容过大,从而减少噪声的耦合。
3. 关键BGA封装下方的平面缝合过孔
在关键BGA封装下方布置0.1mm孔径的平面缝合过孔,密度大于25个/cm²。这些过孔可以为电流提供低阻抗的回流路径,减少电流环路面积,从而降低SSO噪声。同时,高密度的过孔还可以增强电源层与地平面之间的耦合,进一步提高电源完整性。
4. 电源分割区的"网格地"过渡结构
在电源分割区采用"网格地"过渡结构,避免平面谐振。网格地结构可以有效地分散电流,减少谐振点的产生,从而降低噪声。这种结构还可以为不同电源区域提供良好的电气连接,确保整个电源系统的稳定性。

实测数据与效果验证
某AI加速卡的实测数据显示,采用上述设计方法后,PDN阻抗在100MHz-1GHz频段降低了40%。这一显著的效果验证了该层叠设计方法在抑制SSO噪声方面的有效性。
通过电源完整性三重防护体系的构建,结合SSO噪声抑制的层叠设计秘诀,设计者可以在PCB设计中有效降低SSO噪声,提升电源完整性。这些设计方法不仅适用于高速数字电路,还可以推广到其他需要高电源稳定性的电子系统中,为现代电子设备的可靠运行提供保障。