摘要：PCB电源完整性：捷配分享低噪声供电设计与信号协同保障

电源完整性（PI）是信号完整性（SI）的 “隐形基石”—— 若电源分配网络（PDN）存在高阻抗、大纹波，哪怕信号布线设计完美，也会因供电波动导致信号失真。电源完整性的核心是 “提供低噪声、低阻抗的稳定供电”，确保电源噪声≤50mV，PDN 阻抗≤10mΩ，才能为信号传输提供可靠保障。电源与信号的协同设计（SI-PI 协同），是解决复杂 PCB 信号完整性问题的关键。

一、低阻抗 PDN 设计：电源传输的基础保障

PDN 是从电源模块到芯片电源引脚的完整路径，低阻抗是减少电压跌落（ΔV=I×Z）的核心，需从电源平面、铜箔厚度、过孔布局三个维度优化。

1. 电源平面优化

平面设计：内层设计完整的电源平面（如 3.3V、5V、12V），面积≥0.05㎡，避免开槽（开槽会增加阻抗 3-5 倍）；

平面分割：不同电压的电源平面需隔离分割，间距≥0.5mm，避免串扰，例如 3.3V 与 12V 平面间距 1mm，中间加接地平面隔离；

阻抗控制：PDN 阻抗需≤10mΩ（1GHz 以下），例如服务器 CPU 的 12V 电源平面，阻抗设计为 8mΩ，电压跌落≤0.1V（12.5A 电流）。

2. 铜箔与过孔优化

铜箔厚度：大电流电源回路（如 CPU 供电、电机驱动）选用 2-4oz 铜箔（70-140μm），电流承载能力比 1oz 铜箔翻倍，例如 20A 电流的 12V 回路，2oz 铜箔需线宽 10mm，或电源平面面积 20mm×10mm；

过孔布局：电源平面与芯片电源引脚的连接过孔数量≥2 个（孔径 0.5mm），并联降低过孔阻抗（单个过孔阻抗 50mΩ，2 个并联降至 25mΩ）；

散热与阻抗平衡：电源平面同时承担散热功能，高功耗芯片（如 GPU，功耗 300W）的电源平面需覆盖散热铜箔（面积 0.1㎡），兼顾低阻抗与散热。

二、去耦电容设计：抑制电源噪声的核心手段

去耦电容是 “电源噪声的过滤器”，通过充放电补偿芯片的瞬时电流需求，抑制纹波与尖峰，需遵循 “就近布置、多容值组合、优化数量” 的原则。

1. 去耦电容选型与布局

容值组合：采用 “高频 + 低频” 组合，高频电容（0.1μF MLCC）滤除 1MHz-1GHz 噪声，低频电容（10μF MLCC/100μF 钽电容）滤除 1kHz-1MHz 噪声，超高频电容（10pF 陶瓷电容）滤除 1GHz 以上噪声；

就近布置：每个芯片的电源引脚旁布置 1-2 个 0.1μF MLCC，间距≤2mm（越近越好），避免布线电感导致的去耦失效；

数量优化：每 10mm² 电源平面布置 1 个 10μF MLCC，例如 0.1㎡的 3.3V 电源平面，布置 100 个 0.1μF MLCC+10 个 10μF MLCC，电源噪声从 100mV 降至 30mV。

2. 去耦电容布线优化

短路径连接：去耦电容的电源端与地端布线需短而宽（线宽≥0.3mm），长度≤3mm，减少寄生电感（≤0.5nH）；

接地优化：去耦电容的接地端直接连接接地平面（通过过孔，间距≤1mm），避免接地路径过长导致的噪声耦合。

三、SI-PI 协同设计：信号与电源的联动优化

信号完整性与电源完整性相互影响，需协同设计才能实现整体优化，核心是 “减少电源噪声对信号的耦合，避免信号电流影响电源稳定”。

1. 减少电源噪声耦合

接地平面连续：信号传输线下方的接地平面需完整，避免电源噪声通过地平面耦合至信号；

模拟电源隔离：模拟信号（如传感器、ADC）的电源需单独供电（如线性稳压器 LDO），与数字电源隔离，模拟电源噪声≤10mV，避免数字电源噪声耦合至模拟信号；

案例：心电监测设备的模拟信号，若与数字电源共用 PDN，电源噪声达 20mV，导致模拟信号失真；改用单独 LDO 供电 + 去耦电容，电源噪声降至 5mV，信号失真消除。

2. 避免信号电流影响电源

差分信号优先：高速信号（如 PCIe、LVDS）采用差分传输，减少对电源 / 地平面的共模电流干扰；

信号回流路径优化：确保信号回流路径短且低阻抗，避免回流电流在接地平面产生电压差，影响电源稳定；

大电流信号隔离：大电流开关信号（如电机驱动 PWM）与敏感信号（如射频信号）间距≥8mm，避免开关电流导致的电源波动耦合至敏感信号。

PCB 信号完整性的最终保障是 “SI-PI 协同”—— 只有电源稳定、噪声可控，信号传输才能避免失真；同时，合理的信号设计也能减少对电源的干扰，二者相辅相成，才能实现设备的长期稳定运行。

来源：小桃说科技