高速信号的电源完整性

高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材

配套电子教案第九章

高速信号的电源完整性分析电源完整性概述电源分配系统设计电路板中电源系统设计电源完整性概述电源完整性的相关概念

电源完整性

指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。电源分配网络 电源分配网络的作用就是给系统内所有器件或芯片提供足够的电源，并满足系统对电源稳定性的要求。同步开关噪声 指当器件处于开关状态下产生的瞬间变化的电流(di/dt)在经过回流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而引起的噪声，因此同步开关噪声也称为ΔI噪声。电源完整性概述地弹噪声它是同步开关噪声对电源完整性影响的表现之一，是指芯片上的地参考电压的跳动。当大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面(0V)上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其他元器件的动作。回流噪声电路只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作，这样每条信号线上的电流势必要找一个路径以从末端回到源端，一般会选择与之相近的平面。由于地平面(包括电源和地)分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。电源完整性概述电源噪声的起因 造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：—数字器件在高速开关状态下，△I噪声电流和瞬态负载电流过大；—实际电源分配系统存在电感，造成输入阻抗过大，造成很大电磁干扰。电源噪声危害的表现形式

—同步开关噪声

—非理想电源分配系统的阻抗影响 —由于电源分配系统可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可看成谐振腔，存在谐振效应，影响阻抗的大小；同时存在边缘效应，即引起边缘反射和边缘辐射现象。电源分配系统设计电源分配系统的分类局部电源分配网络系统级电源分配网络常用的两种电源分配方案电源总线法（PowerBus）电源位面法（PowerPlane）电源分配系统设计电源分配系统的阻抗设计 目标阻抗法: 首先根据系统要求，确定目标阻抗，然后设计电源分配网络的阻抗，使其在一定的频率范围内低于目标阻抗。

确定目标阻抗的计算公式为：

电源分配系统设计

电容在电源分配系统中的作用

无论是降低电源平面阻抗，还是减少同步开关噪声，电容都起着很大的作用，因此，电容对电源完整性的设计有重要的作用，电源完整性设计的重点也是如何合理地选择和放置这些电容。电容的频率特性实际的电容要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联电阻Rs(ESR)和串联电感Ls(ESL)，还有泄漏电阻Rp、介质吸收电容Cda和介质吸收电阻Rda等。电容的各种等效模型如下：图9.1电容的各种等效模型电源分配系统设计电容的等效阻抗和串联谐振频率分别为：电容的阻抗变化与频率的关系：

图9.2电容阻抗随频率变化的曲线图电源分配系统设计从谐振频率的公式可以看出，电容大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率： 由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以设计时尽量选用谐振频率和实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大，则可以混合使用电容，即同时选择一些谐振频率较小的大电容和谐振频率较大的小电容。图9.3电容和ESL的变化对频率特性的影响电源分配系统设计电容的使用——选取合适电容值的计算方法

方法一：通过负载的瞬间电流消耗

计算步骤：

1）计算负载需要的电流I

2）计算所需的电容C

3）考虑到实际情况可能因为温度、老化等因素影响，实际的电容值应比理论计算值稍大以保证一定裕量。电源分配系统设计

方法二：通过回路电感计算

计算步骤：1）计算电源回路允许的最大阻抗Xmax

2）考虑低频旁路电容的工作范围

3）考虑最高有效频率Fknee，也称为截止频率

4）计算在最大的有效频率(Fknee)下电容允许的最大电感LTOL5）算出需要的电容个数N

6）电容在低频下不能超过允许的阻抗范围，可算出总的电容值C

7）最后算出每个电容的取值Cn电源分配系统设计电容布板的注意因素(1)减小电容引线/引脚的长度；(2)使用宽的连线；(3)电容尽量靠近器件，并直接和电源引脚相连；(4)降低电容的高度(使用表贴型电容)；(5)电容之间不要共用过孔，可以考虑打多个过孔接电源/地；(6)电容的过孔要尽量靠近焊盘(能打在焊盘上最佳)。电源分配系统设计电源/地平面对模型分析

电源/地平面对的作用:为所有的有源器件提供电能为所有的信号交换提供稳定的电压参考提供回路电流的通路：地平面和电源平面可以减少电阻引起的电压损失减少高频噪声对信号进行屏蔽电源分配系统设计电源的平面模型电源平面模型的拓扑结构

将图9.3所示的电源平面均匀分割成N×N的电源单元，使每个单元在X和Y轴方向都构成传输线。可以得到图9.4。

图9.3电源平面物理结构

图9.4电源平面分割电源植分配前系统吧设计结合呈传输绳线的RL诱C模型阿，我昼们可呈以得盖到每施个电倦源单亩元的乐仿真访模型臣，并功最终厌可以诸构建季出电钩源平糟面的义整体岗模型遍。如温图9.殊5、9.浩6所示阔：图9.胃5电源(地)单元铁的RL迫C仿真渐模型图9.袭6电源棕平面些整体激模型电源退分配氧系统咽设计电源锁网格撑分析翼法电源使网格竟的分淡析方诸法包剧括静熟态电灭源网差格分盼析法希和动等态电蛇源网夹格分悔析法扁两种套。静态承电源疫网格兆分析射法静态伪电源盼网格窃分析恶法无涌需额付外的固电路您仿真君即能覆提供砍全面挎的覆躁盖。乔具体宰步骤趴如下迟：①街提取详电源课网格想的寄幻玉生电类阻；②园建立普电源俊网格池的电酱阻矩笔阵；③络计算厅与电帆源网私格相围连的绸每个颗电阻格或者希门的哲平均席电流龙；④罪根据排晶体赔管或具门的膜物理烧位置骗，将管平均陶电流冠分配兆到电鞋阻矩材阵中尘；⑤稍在每淡个VD叉D的I/沾O引脚叶上将VD滚D源应检用到瞧矩阵筛；⑥苦利用户静态险矩阵待解决宝方案债计算状流经壁电阻崖矩阵芦的电卷流和IR压降东。电源科分配雄系统浙设计动态评电源饿网格粒分析宏法动态绑电源凑网格哄分析垂法不减仅要五求提吵取电谱源网所格的导寄生跌电阻棕，还贷要求良提取妙寄生必电容臣，并饱要完拢成电款阻RC矩阵华的动宪态电瞒路仿无真。动态矿电源勇网格炕分析慌法的驰典型饺步骤姻：①患提取年电源知网格甜的寄边生电冷阻和园电容遇；②追提取户信号腥网络馅的寄湿生电鱼阻和湾电容导；③斧提取披设计芳网表筹；④雅根据黑提取梅的寄丝式生电芳阻、镇电容猪值和婚网表泄生成喉电路中网表拒；⑤彩依据掩仿真窜向量枕集执伞行电竹路仿牧真，修主要亚仿真端晶体骡管或议门的采动态夹转换桂以及筒该转竿换对臭电源朝网格验的影董响。电源魔分配线系统澡设计动态吩电源默网格斩分析响法的壁局限祥性：①桥寄生茄提取衡要求纠非常栏高，络因为袍需要技提取裹电源权网格庭的电宾阻和丸电容敏以及验信号腾网络窄的电捉容。②许电路龄仿真伴的对床象非泽常多可，会展使电蔽路仿芦真引夹擎满厚负荷幕工作萌。③响用做鸡激励忘信号桑的向佛量集备在决棚定输祝出质决量时欢起着植重要继的作耻用。话如果边没有喜采用拢完整若的测帝试向娱量集陈，那庆么结抚果将助是令像人怀裁疑的躬，因启为电浩源网暑格的邻某些器部分意可能烘没有徒被仿教真到腔。④絮最后博，由炉于单造个电斯源网筐格就拐有如哥此多棚的考润虑因裕素，誉基于恰全面某动态再仿真榴的电指源网予格分确析法渡将难甲以适勤应设先计规雷模的哀进一胃步增睡加。电路盗板中誓电源油系统权设计叠层侍对电固源分讯配系君统的盾影响多层叉板和为覆铜尿层多层粪板在肯设计亭中和饱普通吓的PC仙B相比骑，除担了添庆加了荷必要葛的信顾号走劳线层赵之外军，最吗重要脉的是忍安排挡了独婶立的追电源宴和地乔层(敷铜厚层)。在龟高速茂数字筒电路撑系统伯中，情使用夸电源华和地集层来缓代替躬以前吓的电旨源和阻地总挤线的夏优点刃在于迅：为数狠字信表号的判变换夹提供柱了一志个稳沈定的戚参考漠电压筑。将电清源同川时均新匀地揪加在贱每个宰逻辑洒器件铃上。有效评地抑些制信鞠号之嫁间的壶串扰债。电路吓板中帅电源忌系统乔设计高频勺下地谨平面斤层对朱信号于的影稳响在高锋频情娱况下举，信鼓号的雨回路然电流晶是沿松着电退感最等小的宿路径储（也留就是吓阻抗则最小叶的路深径）搬流回钓，这筐表现蹄在回立路电介流集羊中分键布在捧信号仆走线长的正禁下方趟。反火过来矮，如博果信族号线论和回帐路离排得很险近，屈那么炕两者漏电流丸大小鲜近似徒相等若，方利向相姿反，上在外圾部空啊间产上生的主磁场润可以要相互城抵消距，因脏此对易外界薯的EM省I也很孤小。割所以勇，在饲叠层屈设置染时最壁好保菜证每勾个信厌号走沙线层济都有假很近御的地缩慧平面泽层相御对应歼。图9.捐7低频忧下与兴高频脾下的堤回流串路径电路筹板中街电源根系统雷设计叠层访数影上响因状素性能雀和成押本是状决定焦叠层偏数的钱两个旬重要国指标渡，通馅常设棵计人境员都神必须张在这喷二者乱之间吵进行辜折中赠选择轰。叠层推设计些建议杆遵循童的原舅则(1芬)敷铜壁层最勺好要疤成对借设置阳，比妇如六砍层板计的2，5层或溪者3，4层要惯一起应敷铜我，这过是考裤虑到装工艺慌上平彻衡结葵构的伟要求孩，因尼为不冰平衡籍的敷丛铜层贡可能梯会导垄致PC进B的翘杀曲变林形。(2锅)信号暖层和袜敷铜手层要真间隔买放置痛，最肥好每坝个信确号层标都能压至少拳和一破个敷科铜层想紧邻朱。(3臂)缩短熊电源航和地稍层的议距离械