PCB板与IC封装的电源噪声

关键词：电源噪声、纹波、瞬态电流

一．什么是电源噪声

电源噪声是指由电源自身产生或受扰感应的噪声，是电磁干扰的一种，其传导噪声的频谱大致为：10kHz-30MHz，最高可达150MHz。

芯片的外部电源引脚提供给内部成千上万个晶体管一个公共的供电节点，因此内部晶体管状态的转换必然引起电源噪声在芯片内部的传递；除了对芯片本身工作状态产生影响外，电源噪声还会对其他方面性能产生影响：电源噪声会影响晶振、锁相环 (PLL、DLL等)的抖动特性；A/D 转换电路中的电源噪声可能淹没幅度很小的模拟信号。在实际的工程设计中，问题如果是由于电源系统产生的，电路调试将非常困难，因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计方法，使电源系统更加稳健。

二．电源噪声的来源

1)稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的纹波。这是由稳压芯片自身决定的，一旦选好了稳压电源芯片，对这部分噪声我们只能接受，无法控制。稳压电源大体分为线性电源和开关电源两种。线性电源通常具有很好的输出纹波特性，电源本身输出噪声低，供电稳定，但是通常输出功率不大，转换效率低。开关电源可以输出很大的电流，转换效率高，但是通常输出纹波较大，不适合对电源非常敏感的模拟电路供电。下图为开关电源输出端的波动，频率较低且有规律的波动为纹波，尖峰部分为噪声。

图源：知乎

2)负载瞬态电流在电源路径和地路径上产生的压降。PCB板上任何电气路径都不可避免地会存在阻抗，不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板，通常提供一个完整的电源平面和地平面，稳压电源输出首先接入电源平面，供电电流流经电源平面、过孔、封装引线、片内电源网络进入到负载芯片供电节点。地路径和电源路径类似，只不过电流路径变成了地平面。负载瞬态电流是不断变化的，具有交流特性，供电路径由于存在电感和电容等寄生参数，表现出一定的交流阻抗。完整平面的阻抗很低，但确实存在，如果平面上打了很多过孔，会进一步增加平面的阻抗。如果不使用平面而使用引线，那么路径上的阻抗会更高。瞬态电流流经供电路径必然产生压降，因此负载的电压会随着瞬态电流的变化而波动，这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为负载芯片供电节点处的IR Drop，在地路径表现为芯片上GND节点处的电位和参考地电位不同。

3)信号通过过孔换层也会引起电源噪声，信号穿过电源平面和地平面时，返回路径在平面间转换，返回电流通过平面间的耦合才能由一个平面转移到另一个平面。尽管电源平面和地平面之间可能有去耦电容元件，但是电容只能让返回电流的低频部分通过，无法为高频部分提供回流路径。高频返回电流通过平面间的耦合通过换层所在区域，局部区域就像一个小电容充放电，引起局部电源噪声，这个噪声会在电源平面和地平面构成的腔体中传播。

三．如何解决电源噪声问题

1)注意板上通孔。通孔使得电源层上需要刻蚀开口以留出空间给通孔通过。而如果电源层开口过大，势必影响信号回路，信号被迫绕行，回路面积增大，噪声加大，同时如果一些信号线都集中在开口附近，共用这一段回路，公共阻抗将引发串扰。

2)放置电源噪声滤波器。它能有效抑制电源内部的噪声，提高系统的抗干扰性和安全性。并且它是双向射频滤波器，既能滤掉从电源线上引入的噪声干扰（防止其他设备的干扰），又能滤掉自身所产生的噪声（避免干扰其他设备）。

3)电源隔离变压器。将电源环路或信号电缆的共模地环路分开，它能对高频中所产生的共模环路电流进行有效隔离。

4)电源稳压器。重获一个更干净的电源，能很大程度地降低电源噪声大小。

5)布线。电源的输入输出线应避免布在介质板的边缘，否则容易产生辐射，干扰其他电路或设备。

6)模拟与数字电源要分开。高频器件一般对数字噪音非常敏感，所以两者要分开，在电源的入口处接在一起。若信号要跨越模拟和数字两部分的话，可以在信号跨越处放置一条回路以减小环路面积。

7)避免分开的电源在不同层间重叠。尽量将其错开，否则电源噪声很容易通过寄生电容耦合过去。

8)隔离敏感元件。有些元件如锁相环对电源噪声非常敏感，应让它们离电源尽可能的远。

9)连接线需要足够多的地线。信号需要有自己的专有的信号回路，而且信号和回路的环路面积尽可能小，也就是说信号与回路要并行。

10)放置电源线。为了减小信号回路，可通过放置电源线在信号线边上来减小噪声。

11)为了防止电源噪声对电路板的干扰以及外界对电源的干扰而导致的累加噪声，可以在干扰路径上（辐射除外）并连一个旁路电容接地，这样能将噪声旁路到地以避免干扰其他设备和器件。

四．结论

电源噪声是直接或者间接的从电源中产生出来的，并且对电路进行干扰，在抑制它对电路的影响的时候，应该遵循一个总的原则，那就是：一方面，要尽可能阻止电源噪声对电路的影响，另一方面，也要尽可能减小外界或者电路对电源的影响，以免恶化电源的噪声。

参考资料：

1.       于争.信号完整性揭秘-于博士SI设计手记.机械工业出版社

2.       降低电源纹波噪声只需三步-知乎

3.       电源波纹测试方法-CSDN

4.       如何应对PCB设计中的电源噪声干扰-芯语