在PCB設(shè)計(jì)中，給信號(hào)提供一個(gè)穩(wěn)定的電壓以及合適的電壓分配是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)中的兩個(gè)基本目標(biāo)。隨著信號(hào)完整性問(wèn)題的出現(xiàn)，反射、串?dāng)_等都會(huì)影響到電源系統(tǒng)的穩(wěn)定，再加上芯片工作電壓的不斷減小，電源的波動(dòng)性將會(huì)影響系統(tǒng)的正常工作。電源完整性分析，就是為了保證PCB中有一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)。

 

電源完整性分析概述

電源完整性就是指系統(tǒng)中電源波形的質(zhì)量。隨著IC輸出開(kāi)關(guān)速度的提高，信號(hào)的邊沿速率即信號(hào)上升和下降的時(shí)間迅速縮減，電源線(xiàn)由于它的寄生電感承受著不小的電壓降。對(duì)于小于1ns的信號(hào)邊沿速率，會(huì)造成PCB上電源層與地層間的電壓在電路板的各處不同，從而影響到芯片供電的穩(wěn)定性，甚至?xí)?dǎo)致芯片的邏輯

 

造成電源系統(tǒng)不穩(wěn)定的因素表現(xiàn)為同步開(kāi)關(guān)噪聲、非理想電源阻抗影響、諧振及邊緣效應(yīng)。一般情況下，同步開(kāi)關(guān)噪聲是電源噪聲的主要來(lái)源。由于地引線(xiàn)和平面存在寄生電感，在開(kāi)關(guān)電流的作用下，會(huì)造成一定的電壓波動(dòng)，也就是說(shuō)，器件的參考地已不再是零電平，因此，驅(qū)動(dòng)端要發(fā)送的地電平會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的干擾波形，干擾波形的相位與地面噪聲相同，對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)波形來(lái)說(shuō)，地噪聲的影響會(huì)導(dǎo)致信號(hào)的下降沿變緩；在接收端，信號(hào)的波形同樣會(huì)受到地噪聲的干擾，但干擾波形的相位與地面噪聲相反。另外，在一些存儲(chǔ)元器件中，有可能因?yàn)殡娫丛肼暫偷卦肼曉斐蓴?shù)據(jù)的意外翻轉(zhuǎn)。

 

在高頻電路中，電源平面存在大量寄生參量，這些寄生參量可以看成是由很多電感和電容構(gòu)成的LC諧振網(wǎng)絡(luò)，或諧振腔。在某一確定的頻率下，這些電容和電感將發(fā)生諧振現(xiàn)象，從而影響電源層的阻抗。除了諧振效應(yīng)，電源平面和地平面的邊緣效應(yīng)也是電源設(shè)計(jì)中需要注意的問(wèn)題，這里的邊緣效應(yīng)指邊緣反射和輻射現(xiàn)象。電路板邊緣覆銅面大小受到限制，故容易產(chǎn)生電磁干擾問(wèn)題。工程中通常添加去耦電容，以減小邊緣的輻射效應(yīng)，達(dá)到抑制電源平面噪聲的目的。

 

同步開(kāi)關(guān)噪聲

同步開(kāi)關(guān)噪聲（SSN）主要由伴隨著器件的同步開(kāi)關(guān)輸出產(chǎn)生。開(kāi)關(guān)速度越快，瞬間電流變化越顯著，電流回路上的電感越大，則產(chǎn)生的同步開(kāi)關(guān)噪聲越嚴(yán)重。由此可見(jiàn)，同步開(kāi)關(guān)噪聲的大小取決于集成電路的I/O特性、PCB板電源平面和地平面的阻抗，以及高速器件在PCB上的布局和布線(xiàn)方式。

 

根據(jù)回流路徑的不同，同步開(kāi)關(guān)噪聲可分為芯片外開(kāi)關(guān)噪聲和芯片內(nèi)開(kāi)關(guān)噪聲。芯片外開(kāi)關(guān)噪聲是指信號(hào)開(kāi)關(guān)引發(fā)的電流回流經(jīng)過(guò)信號(hào)線(xiàn)、電源/地平面時(shí)產(chǎn)生的噪聲；如果開(kāi)關(guān)狀態(tài)轉(zhuǎn)變時(shí)，電流的回流路徑經(jīng)過(guò)電源和地，而不是信號(hào)線(xiàn)，此時(shí)的噪聲為芯片內(nèi)開(kāi)關(guān)噪聲。減小芯片內(nèi)開(kāi)關(guān)噪聲主要通過(guò)減小開(kāi)關(guān)信號(hào)流經(jīng)路徑的電感或減緩開(kāi)關(guān)信號(hào)的變化速率減小感應(yīng)電壓來(lái)實(shí)現(xiàn)。減小芯片外開(kāi)關(guān)噪聲可以通過(guò)降低芯片內(nèi)部驅(qū)動(dòng)器的開(kāi)關(guān)速率和同時(shí)開(kāi)關(guān)的數(shù)目，采用能滿(mǎn)足時(shí)序要求的最慢邊沿速率的芯片；或通過(guò)降低封裝回路電感，增加信號(hào)和電源與地的耦合電感；也可在封裝內(nèi)部使用旁路電容，讓電源和地共同分擔(dān)電流回路，減小回流路徑的等效電感。

 

電源分配設(shè)計(jì)

電源噪聲在很大程度上源于非理想的電源分配系統(tǒng)。電源分配系統(tǒng)就是給系統(tǒng)內(nèi)的所有器件提供足夠的電源，這些器件不但需要足夠的功率損耗，同時(shí)對(duì)電源的平穩(wěn)性也有一定的要求。因?yàn)閷?shí)際電源平面總存在著阻抗，在有瞬間電流通過(guò)時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生電壓降，從而導(dǎo)致電源的波動(dòng)。大部分器件對(duì)電源波動(dòng)的要求在正常電壓的±5%范圍內(nèi)。為了保證每個(gè)器件都能正常工作，應(yīng)該盡可能的降低電源平面的阻抗。在工作頻率比較高的情況下，既要計(jì)算電阻的直流阻抗，還要計(jì)算由電感引起的交流阻抗。在對(duì)電源阻抗進(jìn)行控制時(shí)，可通過(guò)采用電阻率低的材料，采用短而粗厚的電源線(xiàn)，減小電源內(nèi)阻，電源盡量靠近地，使用去耦電容等方法，以減小電源的電阻和電感，從而降低電源阻抗。