PCB设计的十大误区之电容布局布线-“电源加磁珠”

       滤波半径还是基于著名的四分之一波长理论。（四分之一波长理论在高速先生的各种文章会反复多次出现，为了方便大家理解，我们会专题讨论各种四分之一波长的问题，这里就不再赘述，如果觉得理解这篇文章有问题，可以单独和高速先生进行讨论）电容去耦半径理论认为，当电容的位置距需要滤波的器件(管脚)的距离刚好是四分之一波长的时候，电容的补偿电流和信号噪声电流相位刚好相差180度，滤波失效。所以为了保证电容的滤波作用，要求电容的位置距需要滤波的器件(管脚)的距离小于1/10的四分之一波长，当然，更严格的要求希望小于1/20的四分之一波长。

大家看到这，估计有点烦躁了，有的人说，这个我早就知道了。也有人说，不是叫“看得懂的高速设计”吗，你说的这些我看不懂。那我们就来看看常见的滤波电容的滤波半径。（这里我们为了计算的简化，假设电容的ESL为0.4NH，电容的安装电感为1.5NH。具体的电容安装电感问题，在上一个专题的第四篇文章里面讨论过了，大家可以参考）

看到这里，估计很多PCB设计师会大吃一惊?我们常用的0.1 uf电容，在考虑四十分之一波长的时候，电容的有效去耦半径居然有12英寸。就算严格点考虑两百分之一波长，也有将近2英寸的去耦半径。我们在滤波电容布局的时候，这个去耦半径还是问题吗?

        本节的结论还是继续有效的，我们常用的0.1uf电容，滤波半径远远比我们想象的要大。

本节的问题是：

既然简单的用四分之一波长理论推算的电容去耦半径，对电容布局设计起不到指导作用，那么电容放置的离芯片电源管脚比较远，还会有哪些影响呢?

     我们知道平常“耳熟能详”的电容去耦半径理论，对PCB设计其实没有什么指导意义。0.1uf的电容去耦半径足够大，设计中参考这个值没有用处，工程师还是会“尽量”把0.1uf电容靠近芯片的电源管教放置。PCB设计师需要更有效的理论来指导电容的布局设计。

既然简单的用四分之一波长理论推算的电容去耦半径不起作用，那么电容放置得离芯片电源管脚比较远，还会有哪些影响呢?很多人都答对了，影响安装电感。

       

在上一个专题的第四篇文章里面，已经讨论过电容安装电感的估算。这一次，我们来更详细的看看安装电感。从图3能看到，安装电感可以简单分为L above和 L below。

图3

在这里引入两个概念：Labove 、Lbelow（电容和IC下面的电流回路大小不一定一样，但在这里分析的时候，假定大小等同）

总电感：LTotal= 2Labove+Lbelow

Labove包括电容的ESL和Fan out带来的电感，我们会另外专题讨论电容的Fan out问题。至于L below就更多收到电容位置的影响。简单来说，电容离芯片电源管脚越远，L below围成的面积就越大，相应的安装电感就越大。

更具体点，Lbelow主要是两个过孔的自感和互感，当电容的位置离IC器件更近时，如图4所示，Lbelow的互感增大，因互感的作用与自感的作用相反，导致其整体电感减小，充放电速率更快

图4

可以列出一堆公式来推导这个互感乃至L below，但这个不是高速先生的风格。

图3

其实从图3可以简单看出，G和P之间的距离对L below影响很大，G和P之间的距离越近，L below对应的阴影区域面积就越小。而L below越小，也就意味这电容可以放得越远，换句话说，电容的有效滤波范围更大。电容也就更加倾向于呈现“全局”特性。

“滥用”磁珠，会带来哪些坏处?什么情况下我们需要使用磁珠对电源进行隔离?什么情况下，“滥用”磁珠会带来负面影响?

多层板设计的时候，电容倾向于呈现“全局特性”，“电源加磁珠”的设计方法，会影响电容在全局范围内起作用。同时电源种类太多，还会带来其他设计问题。

所以，我们可以得出简单的结论：

典型的8层以上单板，或者6层板采用3个电源地平面，电源地相对紧耦合的设计，这时候板上的滤波电容呈现“全局特性”，也就是说电容的位置不是很“重要”，电容在全局起作用。双面板四层板，以及6层板电源地距离比较远，相对松耦合的时候，板上的滤波电容倾向于“局部特性”，电容的位置比较重要，最好能靠近芯片管脚放置。

当电源供电网络不使用电源地平面来设计的时候，电容更倾向于“局部特性”。如PLL电源的电容，如DDR3设计中Vref电源的电容，都希望严格把相应的电容靠近芯片的管脚，甚至最好能做到设计时指定电源必须从滤波电容进入芯片管脚。

同样的，对于常规数字电源，如3.3V，2.5V等IO电源，如果我们对每一个芯片都使用磁珠隔离之后单独供电，那么电容就失去了“全局”作用。最直接的一个负面作用就是导致设计需要增加更多的滤波电容。或者某个芯片的电容数量与种类不够，导致电源轨道噪声变大。

就算是电容的数量不是问题，电源噪声可控，“滥用”磁珠还会造成其他设计问题。图9中的方案三是现在非常流行的12层板层叠设计。大家选择这样的层叠最主要的原因就是电源的分割太破碎，这样的电源层如果作为参考平面的话，会比较难避免“跨分割”问题（单面跨电源分割问题，我们会另外有专题讨论）。方案三的层叠避免了电源分割多的问题，却带来更加恶劣的层间串扰等其他问题。

电源种类多是设计的现状，“滥用”磁珠会“雪上加霜”的让电源种类更多。加大电源地平面设计的难度。而增加的磁珠，其实并没有给电源噪声带来好处。

图9

总结：常规的数字电源，在采用多层板设计，电源地平面紧耦合的情况下，不建议“滥用”磁珠，保持电容的“全局”特性起作用。

需要使用磁珠的场合大致分为两种

1、“特别”保护自己，如PLL电源等

2、“关爱”他人，自身的干扰性比较强，避免EMI问题，如强驱动的时钟芯片等

每次一个话题结束的时候，总觉得没什么问题可以问，因为觉得都讲清楚了。不过每次编辑都会强调“你的问题”呢?那就找一个问题，作为下一个话题的铺垫吧：

我们怎么减小上一篇文章中提到的L above？