PCB电源分割怎么设计才合理？电源层划分原则与注意事项

一、面试官考察点

二、回答思路

电源分割设计四步流程

第一步，统计电源需求。先把项目里所有的电源电压列出来，包括主电源和各芯片的内核电压、IO电压，再统计每个电源的最大电流和功耗。小功率的辅助电源比如几毫安的参考电压，不一定非要分割电源层，走走线就够了。大电流的电源比如CPU内核供电，需要大面积铜箔来承载电流并提供低阻抗路径，这种就必须有独立的电源域。

第二步，规划电源域位置。电源域的位置要和主要用电芯片的位置对应，这样电流路径短，去耦效果好。比如主芯片在板子中央，那它的内核电源域就应该放在芯片正下方的位置。电源域之间的位置关系也要考虑，噪声大的电源比如开关电源输出，要和敏感的模拟电源离远一点。

第三步，绘制分割线。分割线要尽量简洁，少用尖角和复杂形状，避免电流拥挤。分割缝隙的宽度通常设为20到30密耳，具体要看板厂的工艺能力，线太细加工时容易短路。还要注意分割线不要靠近高速过孔，否则过孔的回流会受影响。

第四步，检查验证。分割完之后要做几项检查：高速信号线有没有跨分割；每个电源域的铜箔面积够不够、通流能力够不够；去耦电容有没有在对应电源域里；有没有孤岛铜皮没法连接的问题。有条件的可以做电源完整性仿真，看看PDN阻抗是否满足要求。

电源分割的核心原则

跨分割的补救方法

如果实在无法避免高速信号跨分割，可以采取以下补救措施，但效果都不如不跨：

第一，在跨分割处的信号两侧加去耦电容，为回流提供交流通路。电容要尽量靠近跨分割的位置，通常放在跨缝处的信号两边各一个。电容值要根据信号频率选择，常用0.1微法陶瓷电容。

第二，如果是差分信号跨分割，尽量保证两根线同时跨过去，而且跨分割的长度尽量短。差分信号因为两根线耦合紧密，对参考平面不连续的敏感度比单端信号低一些，但还是会有影响。

第三，如果条件允许，可以换层走线，绕道到其他有完整参考平面的层走过去，再换回来。虽然多了两个过孔，但总比跨分割好。

地平面分割的取舍

很多人做数模混合电路上来就分割地，其实不一定对。完整的地平面有最低的阻抗和最好的屏蔽效果，一旦分割了，这些优势就没了。我建议的做法是：先尝试用统一地平面，把数字电路和模拟电路分区布局，数字信号只在数字区走，模拟信号只在模拟区走，二者之间留出足够的隔离距离。如果这样做能满足性能要求，就不要分割地。如果实测发现数字噪声确实影响到模拟部分了，再考虑地分割方案。分割地的时候要注意，只有模数转换器或者隔离器件下面才能有地连接桥，其他地方不能有任何走线跨两个地。

三、追问环节

追问1：电源分割后平面电容会怎么变化？

电源分割后，每个电源域和地平面之间形成的平面电容面积减小了，所以总平面电容会变小。平面电容的计算公式是介电常数乘以面积除以介质厚度，面积减小，电容就成比例减小。平面电容是高频去耦的重要组成部分，频率越高，平面电容的作用越明显。分割太多、太碎的电源层，平面电容效果会大打折扣，需要更多的分立去耦电容来弥补。一般来说，单个电源域的面积至少要有几平方厘米以上，平面电容才有实际意义。

追问2：分割缝隙宽度怎么确定？

分割缝隙的宽度主要考虑三个因素：板厂的加工精度、不同电源之间的电压差、以及板子的使用环境。普通消费电子，电压差几伏以内的，分割缝20密耳就够了。电压差比较大的，比如高压电源和低压电源之间，缝隙要加宽，防止击穿和爬电。工业级产品或者潮湿环境下，也要适当加宽缝隙。还要注意，分割缝太窄的话，加工时容易出现铜箔残留导致短路，所以一定要跟板厂确认最小加工宽度。通常我会留30%以上的余量，比如板厂最小能做10密耳，我就设15到20密耳。

追问3：什么情况下建议增加一层电源层而不是分割？

有几种情况我会建议增加电源层而不是继续分割：一是电源种类太多，一层电源上分割五六种以上，每个电源域面积都很小，平面电容基本失效；二是有大电流电源，需要完整的大面积铜箔来降低阻抗和散热；三是高速信号特别多，跨分割问题严重，优化成本太高；四是产品对可靠性和EMC要求很高，比如汽车电子或医疗设备，完整的电源地平面带来的性能提升远大于成本增加。增加两层的成本上升通常在百分之二十到三十，要跟性能提升做权衡。

追问4：孤岛铜皮有什么问题？怎么处理？

孤岛铜皮就是没有电气连接的孤立铜箔，在电源分割的时候很容易产生。孤岛铜皮有几个问题：第一，在PCB加工的电镀过程中，孤岛铜皮因为没有导线连接，电镀不均匀，会影响附近走线的铜厚；第二，悬空的铜箔相当于天线，可能会耦合噪声甚至辐射；第三，高频情况下孤岛铜皮和周围的走线之间会形成寄生电容，影响信号质量。处理方法很简单，要么把孤岛铜皮删掉，要么通过过孔接到对应的电源或地上。设计完成后要用DRC检查有没有孤岛铜皮，板子越密越容易出现。

四、失分表达

五、准备动作

六、核心关键词

电源分割 电源域 跨分割 平面电容 PDN阻抗 回流路径 地平面分割 数模混合