高速電路信號完整性分析與設計電子工業(yè)出版社教材

配套電子教案第九章

高速信號的電源完整性分析電源完整性概述電源分配系統(tǒng)設計電路板中電源系統(tǒng)設計電源完整性概述電源完整性的相關概念

電源完整性

指系統(tǒng)供電電源在經過一定的傳輸網(wǎng)絡后在指定器件端口相對該器件對工作電源要求的符合程度。電源分配網(wǎng)絡 電源分配網(wǎng)絡的作用就是給系統(tǒng)內所有器件或芯片提供足夠的電源，并滿足系統(tǒng)對電源穩(wěn)定性的要求。同步開關噪聲 指當器件處于開關狀態(tài)下產生的瞬間變化的電流(di/dt)在經過回流途徑上存在的電感時，形成交流壓降，從而引起的噪聲，因此同步開關噪聲也稱為ΔI噪聲。電源完整性概述地彈噪聲它是同步開關噪聲對電源完整性影響的表現(xiàn)之一，是指芯片上的地參考電壓的跳動。當大量芯片的輸出同時開啟時，將有一個較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會引發(fā)電源噪聲，這樣會在真正的地平面(0V)上產生電壓的波動和變化，這個噪聲會影響其他元器件的動作。回流噪聲電路只有構成回路才有電流的流動，整個電路才能工作，這樣每條信號線上的電流勢必要找一個路徑以從末端回到源端，一般會選擇與之相近的平面。由于地平面(包括電源和地)分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當數(shù)字信號走到模擬地線區(qū)域時，就會產生地平面回流噪聲。電源完整性概述電源噪聲的起因 造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面：—數(shù)字器件在高速開關狀態(tài)下，△I噪聲電流和瞬態(tài)負載電流過大；—實際電源分配系統(tǒng)存在電感，造成輸入阻抗過大，造成很大電磁干擾。電源噪聲危害的表現(xiàn)形式

—同步開關噪聲

—非理想電源分配系統(tǒng)的阻抗影響 —由于電源分配系統(tǒng)可以看成是由很多電感和電容構成的網(wǎng)絡，也可看成諧振腔，存在諧振效應，影響阻抗的大?。煌瑫r存在邊緣效應，即引起邊緣反射和邊緣輻射現(xiàn)象。電源分配系統(tǒng)設計電源分配系統(tǒng)的分類局部電源分配網(wǎng)絡系統(tǒng)級電源分配網(wǎng)絡常用的兩種電源分配方案電源總線法（PowerBus）電源位面法（PowerPlane）電源分配系統(tǒng)設計電源分配系統(tǒng)的阻抗設計 目標阻抗法: 首先根據(jù)系統(tǒng)要求，確定目標阻抗，然后設計電源分配網(wǎng)絡的阻抗，使其在一定的頻率范圍內低于目標阻抗。

確定目標阻抗的計算公式為：

電源分配系統(tǒng)設計

電容在電源分配系統(tǒng)中的作用

無論是降低電源平面阻抗，還是減少同步開關噪聲，電容都起著很大的作用，因此，電容對電源完整性的設計有重要的作用，電源完整性設計的重點也是如何合理地選擇和放置這些電容。電容的頻率特性實際的電容要比理想的電容復雜的多，除了包含寄生的串聯(lián)電阻Rs(ESR)和串聯(lián)電感Ls(ESL)，還有泄漏電阻Rp、介質吸收電容Cda和介質吸收電阻Rda等。電容的各種等效模型如下：圖9.1電容的各種等效模型電源分配系統(tǒng)設計電容的等效阻抗和串聯(lián)諧振頻率分別為：電容的阻抗變化與頻率的關系：

圖9.2電容阻抗隨頻率變化的曲線圖電源分配系統(tǒng)設計從諧振頻率的公式可以看出，電容大小和ESL值的變化都會影響電容器的諧振頻率： 由于電容在諧振點附近的阻抗最低，所以設計時盡量選用諧振頻率和實際工作頻率相近的電容。如果工作的頻率變化范圍很大，則可以混合使用電容，即同時選擇一些諧振頻率較小的大電容和諧振頻率較大的小電容。圖9.3電容和ESL的變化對頻率特性的影響電源分配系統(tǒng)設計電容的使用——選取合適電容值的計算方法

方法一：通過負載的瞬間電流消耗

計算步驟：

1）計算負載需要的電流I

2）計算所需的電容C

3）考慮到實際情況可能因為溫度、老化等因素影響，實際的電容值應比理論計算值稍大以保證一定裕量。電源分配系統(tǒng)設計

方法二：通過回路電感計算

計算步驟：1）計算電源回路允許的最大阻抗Xmax

2）考慮低頻旁路電容的工作范圍

3）考慮最高有效頻率Fknee，也稱為截止頻率

4）計算在最大的有效頻率(Fknee)下電容允許的最大電感LTOL5）算出需要的電容個數(shù)N

6）電容在低頻下不能超過允許的阻抗范圍，可算出總的電容值C

7）最后算出每個電容的取值Cn電源分配系統(tǒng)設計電容布板的注意因素(1)減小電容引線/引腳的長度；(2)使用寬的連線；(3)電容盡量靠近器件，并直接和電源引腳相連；(4)降低電容的高度(使用表貼型電容)；(5)電容之間不要共用過孔，可以考慮打多個過孔接電源/地；(6)電容的過孔要盡量靠近焊盤(能打在焊盤上最佳)。電源分配系統(tǒng)設計電源/地平面對模型分析

電源/地平面對的作用:為所有的有源器件提供電能為所有的信號交換提供穩(wěn)定的電壓參考提供回路電流的通路：地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失減少高頻噪聲對信號進行屏蔽電源分配系統(tǒng)設計電源的平面模型電源平面模型的拓撲結構

將圖9.3所示的電源平面均勻分割成N×N的電源單元，使每個單元在X和Y軸方向都構成傳輸線?？梢缘玫綀D9.4。

圖9.3電源平面物理結構

圖9.4電源平面分割電源植分配前系統(tǒng)吧設計結合呈傳輸繩線的RL誘C模型阿，我晝們可呈以得蓋到每施個電倦源單畝元的樂仿真訪模型臣，并功最終厭可以諸構建季出電鉤源平糟面的義整體崗模型遍。如溫圖9.殊5、9.浩6所示闊：圖9.胃5電源(地)單元鐵的RL迫C仿真漸模型圖9.襲6電源棕平面些整體激模型電源退分配氧系統(tǒng)咽設計電源鎖網(wǎng)格撐分析翼法電源使網(wǎng)格竟的分淡析方諸法包劇括靜熟態(tài)電滅源網(wǎng)差格分盼析法希和動等態(tài)電蛇源網(wǎng)夾格分悔析法扁兩種套。靜態(tài)承電源疫網(wǎng)格兆分析射法靜態(tài)偽電源盼網(wǎng)格竊分析惡法無涌需額付外的固電路您仿真君即能覆提供砍全面挎的覆躁蓋。喬具體宰步驟趴如下遲：①街提取詳電源課網(wǎng)格想的寄幻玉生電類阻；②園建立普電源俊網(wǎng)格池的電醬阻矩筆陣；③絡計算廳與電帆源網(wǎng)私格相圍連的綢每個顆電阻格或者希門的哲平均席電流龍；④罪根據(jù)排晶體賠管或具門的膜物理燒位置騙，將管平均陶電流冠分配兆到電鞋阻矩材陣中塵；⑤稍在每淡個VD叉D的I/沾O引腳葉上將VD滾D源應檢用到瞧矩陣篩；⑥苦利用戶靜態(tài)險矩陣待解決寶方案債計算狀流經壁電阻崖矩陣蘆的電卷流和IR壓降東。電源科分配雄系統(tǒng)浙設計動態(tài)評電源餓網(wǎng)格粒分析宏法動態(tài)綁電源湊網(wǎng)格哄分析垂法不減僅要五求提吵取電譜源網(wǎng)所格的導寄生跌電阻棕，還貸要求良提取妙寄生必電容臣，并飽要完攏成電款阻RC矩陣華的動憲態(tài)電瞞路仿無真。動態(tài)礦電源勇網(wǎng)格炕分析慌法的馳典型餃步驟姻：①患提取年電源知網(wǎng)格甜的寄邊生電冷阻和園電容遇；②追提取戶信號腥網(wǎng)絡餡的寄濕生電魚阻和灣電容導；③斧提取披設計芳網(wǎng)表籌；④雅根據(jù)黑提取梅的寄絲式生電芳阻、鎮(zhèn)電容豬值和婚網(wǎng)表泄生成喉電路中網(wǎng)表拒；⑤彩依據(jù)掩仿真竄向量枕集執(zhí)傘行電竹路仿牧真，修主要亞仿真端晶體騾管或議門的采動態(tài)夾轉換桂以及筒該轉竿換對臭電源朝網(wǎng)格驗的影董響。電源魔分配線系統(tǒng)澡設計動態(tài)吩電源默網(wǎng)格斬分析響法的壁局限祥性：①橋寄生茄提取衡要求糾非常欄高，絡因為袍需要技提取裹電源權網(wǎng)格庭的電賓阻和丸電容敏以及驗信號騰網(wǎng)絡窄的電捉容。②許電路齡仿真伴的對床象非澤常多可，會展使電蔽路仿蘆真引夾擎滿厚負荷幕工作萌。③響用做雞激勵忘信號桑的向佛量集備在決棚定輸祝出質決量時歡起著植重要繼的作恥用。話如果邊沒有喜采用攏完整若的測帝試向娛量集陳，那慶么結撫果將助是令像人懷裁疑的躬，因啟為電浩源網(wǎng)暑格的鄰某些器部分意可能烘沒有徒被仿教真到腔。④絮最后博，由爐于單造個電斯源網(wǎng)筐格就拐有如哥此多棚的考潤慮因裕素，譽基于恰全面某動態(tài)再仿真榴的電指源網(wǎng)予格分確析法渡將難甲以適勤應設先計規(guī)雷模的哀進一胃步增睡加。電路盜板中誓電源油系統(tǒng)權設計疊層侍對電固源分訊配系君統(tǒng)的盾影響多層叉板和為覆銅尿層多層糞板在肯設計亭中和飽普通嚇的PC仙B相比騎，除擔了添慶加了荷必要葛的信顧號走勞線層趙之外軍，最嗎重要脈的是忍安排擋了獨嬸立的追電源宴和地喬層(敷銅厚層)。在龜高速茂數(shù)字筒電路撐系統(tǒng)伯中，情使用夸電源華和地集層來緩代替躬以前嚇的電旨源和阻地總擠線的夏優(yōu)點刃在于迅：為數(shù)狠字信表號的判變換夾提供柱了一志個穩(wěn)沈定的戚參考漠電壓筑。將電清源同川時均新勻地揪加在賤每個宰邏輯灑器件鈴上。有效評地抑些制信鞠號之嫁間的壺串擾債。電路嚇板中帥電源忌系統(tǒng)喬設計高頻勺下地謹平面斤層對朱信號于的影穩(wěn)響在高鋒頻情娛況下舉，信鼓號的雨回路然電流晶是沿松著電退感最等小的宿路徑儲（也留就是嚇阻抗則最小葉的路深徑）搬流回釣，這筐表現(xiàn)蹄在回立路電介流集羊中分鍵布在捧信號仆走線長的正禁下方趟。反火過來矮，如博果信族號線論和回帳路離排得很險近，屈那么炕兩者漏電流丸大小鮮近似徒相等若，方利向相姿反，上在外圾部空啊間產上生的主磁場潤可以要相互城抵消距，因臟此對易外界薯的EM省I也很孤小。割所以勇，在飼疊層屈設置染時最壁好保菜證每勾個信厭號走沙線層濟都有假很近御的地縮慧平面澤層相御對應殲。圖9.捐7低頻憂下與興高頻脾下的堤回流串路徑電路籌板中街電源根系統(tǒng)雷設計疊層訪數(shù)影上響因狀素性能雀和成押本是狀決定焦疊層偏數(shù)的錢兩個旬重要國指標渡，通餡常設棵計人境員都神必須張在這噴二者亂之間吵進行辜折中贈選擇轟。疊層推設計些建議桿遵循童的原舅則(1芬)敷銅壁層最勺好要疤成對借設置陽，比婦如六砍層板計的2，5層或溪者3，4層要慣一起應敷銅我，這過是考褲慮到裝工藝慌上平徹衡結葵構的偉要求孩，因尼為不冰平衡籍的敷叢銅層貢可能梯會導壟致PC進B的翹殺曲變林形。(2鍋)信號暖層和襪敷銅手層要真間隔買放置痛，最肥好每壩個信確號層標都能壓至少拳和一破個敷科銅層想緊鄰朱。(3臂)縮短熊電源航和地稍層的議距離械