什么是電源分配系統(tǒng)，電源完整性指的到底是什么？

通常我們所示的，電源分配系統(tǒng)(PDS)是指將電源(Power Source)的功率分配給系統(tǒng)中各個(gè)需要供電的設(shè)備和器件的子系統(tǒng)。在所有的電氣系統(tǒng)中均存在電源分配系統(tǒng)，譬如一棟大樓的照明系統(tǒng)，一臺(tái)示波器，一塊PCB板，一個(gè)封裝，一個(gè)芯片，其內(nèi)部均存在電源分配系統(tǒng)。

PCB上的電源分配系統(tǒng)

在一般的產(chǎn)品中，電源分配系統(tǒng)包含從電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)到PCB板、封裝，再到芯片內(nèi)所有的互連。可分為四個(gè)區(qū)段：

電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)包括其濾波電容——電源;

PCB板上的 Bulk電容、高頻去耦電容、互連線(xiàn)、過(guò)孔、電源/地平面——PCB上的電源分配系統(tǒng);

封裝管腳、鍵合線(xiàn)、互連及嵌入式電容器——封裝上的電源分配系統(tǒng);

芯片內(nèi)互連及電容等——芯片內(nèi)的電源分配系統(tǒng)。

本文主要討論第2部分，即PCB上的電源分配系統(tǒng)，其余內(nèi)容均不在本文的討論范圍之內(nèi)。

所謂PCB上的電源分配系統(tǒng)是指PCB上將電源(Power Source)的功率分配給各種需要供電的芯片和器件的系統(tǒng)。本文主要關(guān)注PCB上的電源分配系統(tǒng)，所以我們約定下文中提到的電源分配系統(tǒng)或者PDS均指的是PCB上的電源分配系統(tǒng)。

電源分配系統(tǒng)的作用是傳輸正確穩(wěn)定的電壓，其含義是使得在PCB上所有位置的電壓在任何的負(fù)載的情況下均可以保持正確和穩(wěn)定。研究電源分配系統(tǒng)正確穩(wěn)定地工作的相關(guān)內(nèi)容，我們稱(chēng)之為電源完整性問(wèn)題。

電源完整性

所謂電源完整性是指系統(tǒng)供電電源在經(jīng)過(guò)電源分配系統(tǒng)后在需要供電的器件端口處相對(duì)于該器件端口對(duì)工作電源要求的符合程度。

一般而言，PCB上需要供電的器件對(duì)于工作電源都有一定的要求，以芯片為例，通常表現(xiàn)為三個(gè)參數(shù)：

極限供電電壓：指芯片的供電管腳所能承受的極限的供電電壓。芯片的供電電壓不能超過(guò)該參數(shù)的要求范圍，否則可能會(huì)對(duì)芯片造成永久性的損傷;在該范圍內(nèi)，芯片的功能是不被保證的;芯片處于該參數(shù)的極限值一定時(shí)間，將會(huì)影響芯片的長(zhǎng)期穩(wěn)定性;

推薦工作電壓：指要使得芯片正常可靠地工作，芯片供電管腳的電壓需保證滿(mǎn)足的范圍，通常用"V±x%"來(lái)表示，其中V是芯片供電管腳典型的工作電壓，x%為允許的電壓波動(dòng)范圍，常見(jiàn)的x為5或者3;

電源噪聲：指要使得芯片正常可靠地工作，芯片供電管腳電壓上允許的紋波噪聲，通常用其峰-峰值來(lái)表征。

芯片的Datasheet通常會(huì)提供對(duì)"極限供電電壓"和"推薦工作電壓"的要求，對(duì)于"電源噪聲"不一定會(huì)單獨(dú)提供，這時(shí)它可能被包含在參數(shù)"推薦工作電壓"之中。而"電源噪聲"是本文論述的重點(diǎn)，后續(xù)將單獨(dú)討論。

以上述的例子來(lái)說(shuō)明，電源完整性的問(wèn)題就是討論系統(tǒng)供電電源經(jīng)過(guò)電源分配系統(tǒng)后在芯片不同的供電管腳處相對(duì)于該芯片管腳對(duì)供電電源的"極限供電電壓"、"推薦工作電壓"和"電源噪聲"等要求的符合程度。

電源分配系統(tǒng)的三種特性

電源分配系統(tǒng)的物理介質(zhì)多種多樣，包括接插件(Connector)、線(xiàn)纜、傳輸線(xiàn)(Trace)、電源層(Power Plane)、地層(GND Plane)、過(guò)孔(Via)、焊錫、焊盤(pán)(Pad)、芯片管腳等等，它們的物理特性(材料、形狀、尺寸等)各不相同。由于電源分配系統(tǒng)的目的是將系統(tǒng)電源的功率提供給需要供電的器件，提供穩(wěn)定的電壓和完整的電流回路，所以我們僅關(guān)注電源分配系統(tǒng)的三種電氣特性：電阻特性，電感特性和電容特性。

電阻特性

電阻是表征導(dǎo)體對(duì)直流電流的阻礙作用的物理量，通常用R表示，它的主要物理特征是當(dāng)有電流I流過(guò)時(shí)將電能轉(zhuǎn)化為熱能(I2R)，并在其兩端產(chǎn)生直流壓降(IR)。

電阻是導(dǎo)體本身的特性，它與導(dǎo)體的溫度，材料，長(zhǎng)度和橫截面積相關(guān)，由式1.1決定：

——導(dǎo)體的電阻率

——導(dǎo)體的長(zhǎng)度

——導(dǎo)體的橫截面積

其中

是導(dǎo)體的物理特性且與溫度有關(guān)，金屬的電阻率一般隨著溫度的升高而升高。

在電源分配系統(tǒng)中處處都存在電阻：線(xiàn)纜和接插件存在直流電阻和接觸電阻，銅線(xiàn)、電源層、地層、過(guò)孔均存在分布電阻，焊錫、焊盤(pán)、芯片管腳均存在直流電阻且它們之間存在接觸電阻。

這些電阻在有電流流過(guò)時(shí)，會(huì)產(chǎn)生兩種效應(yīng)：

直流壓降(IR Drop)：該效應(yīng)會(huì)導(dǎo)致電源電壓沿著電源分配網(wǎng)絡(luò)而逐漸降低，或者導(dǎo)致參考地的電壓升高，從而降低需供電器件端口的電壓，引起電源完整性問(wèn)題;

熱損耗(Thermal Power Dissipation)：該效應(yīng)將電源的功率轉(zhuǎn)換為熱，同時(shí)造成系統(tǒng)溫度升高，危害系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。

將電源分配系統(tǒng)的電阻和負(fù)載等效為如圖 1.1所示的電路：

圖 1.1 電源分配系統(tǒng)的電阻和負(fù)載的等效電路圖

其中，Vsource表示電源電壓，Voutput表示輸出電壓，RS表示電源內(nèi)阻，R1表示電源路徑上的分布電阻，R2表示返回路徑上的分布電阻，假設(shè)回路電流為I，則負(fù)載的供電電壓如式1.2所示：

RS上的壓降IRS會(huì)減小電源的輸出電壓Voutput，電源路徑上的壓降IR1減小負(fù)載的供電電壓Vcc，返回路徑上的壓降IR2抬高負(fù)載的GND電平。上述的電阻RS 、R1 、R2的壓降均會(huì)導(dǎo)致負(fù)載的供電電壓VCC-GND的減小，引起電源完整性的問(wèn)題。

電源分配系統(tǒng)的電阻上產(chǎn)生的熱損耗會(huì)使得電源的功率轉(zhuǎn)換為熱而白白耗散掉，從而降低系統(tǒng)的效率。同時(shí)發(fā)熱會(huì)引起系統(tǒng)溫度升高，降低部分器件(比如電解電容)的壽命從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，某些區(qū)域電流密度過(guò)大還會(huì)引起局部溫度持續(xù)升高甚至燒毀。

從上述分析可以看出，這兩種效應(yīng)對(duì)系統(tǒng)均是有害的，且它們的影響與電阻阻值的大小成正比，因此減小電源分配系統(tǒng)的電阻特性是我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

電感特性

電感是表征導(dǎo)體對(duì)交變電流阻礙作用的物理量。當(dāng)導(dǎo)體中流過(guò)電流時(shí)，在導(dǎo)體周?chē)鷷?huì)形成磁場(chǎng)，當(dāng)電流發(fā)生變化時(shí)，磁場(chǎng)也會(huì)隨之變化，變化的磁場(chǎng)將在導(dǎo)體兩端形成感應(yīng)電壓，該電壓的極性將使所產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙原電流的變化;當(dāng)導(dǎo)體周?chē)钠渌麑?dǎo)體中有電流變化引起該導(dǎo)體周?chē)拇艌?chǎng)變化，同樣會(huì)在該導(dǎo)體中產(chǎn)生感應(yīng)電壓，該電壓的極性將使所產(chǎn)生的感應(yīng)電流阻礙原電流的變化。這種導(dǎo)體阻礙電流變化的作用稱(chēng)為電感，前者稱(chēng)為自感L，后者稱(chēng)為互感M。在這里我們直接給出互感的兩個(gè)特性：

對(duì)稱(chēng)性：兩個(gè)導(dǎo)體a和b，不管大小、形狀和相對(duì)位置如何，導(dǎo)體a對(duì)導(dǎo)體b的互感與導(dǎo)體b對(duì)導(dǎo)體a的互感相等，即互感是兩個(gè)導(dǎo)體同等共有的;

互感小于自感：任意兩個(gè)導(dǎo)體的互感小于二者中任意一個(gè)導(dǎo)體的自感。

上述電流變化產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的值由式1.3和1.4決定：

這種由電流變化引起的感應(yīng)電壓在信號(hào)完整性(包括電源完整性)中意義重大，它可以引起傳輸線(xiàn)效應(yīng)、突變、串?dāng)_(Crosstalk)、同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN)、軌道塌陷(Rail Collapse)、地彈(Ground Bounce)和大多數(shù)的電磁干擾(EMI)。

在電源分配系統(tǒng)中，電感普遍存在，接插件、線(xiàn)纜、銅線(xiàn)、電源層、地層、過(guò)孔、焊盤(pán)、芯片管腳等均存在電感，同時(shí)相互靠近的導(dǎo)體之間存在互感。

為了便于分析，考慮如圖 1.2所示的電流回路，平行的支路a與支路b及短暫的折回構(gòu)成完整的電流回路。這種結(jié)構(gòu)是非常常見(jiàn)的，支路a可以表示信號(hào)路徑或者電源路徑，支路b表示其返回路徑，比如芯片封裝上的相鄰的電源管腳和返回管腳(地管腳)，去耦電容到芯片管腳的電源過(guò)孔和返回過(guò)孔(地過(guò)孔)，PCB上相鄰的電源平面和返回平面(地平面)。

圖 1.2 兩個(gè)支路的電流回路：初始電流和返回電流

假設(shè)支路a的局部自感為L(zhǎng)a，支路b的局部自感為L(zhǎng)b，這兩條支路之間的局部互感為M，回路中的電流為I。由于兩條支路平行且流過(guò)的電流方向相反，所以它們產(chǎn)生的磁場(chǎng)方向相反，假設(shè)I增大，對(duì)支路a而言，La產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的極性會(huì)阻礙支路a中I的增大，而M產(chǎn)生的感應(yīng)電壓的極性卻會(huì)幫助支路a中I的增大。所以支路a的總電感為支路a的自感和兩支路互感的差，支路b的總電感同理可得，如式1.5和1.6式所示：

結(jié)合式1.3和式1.4，當(dāng)回路電流I變化時(shí)，在支路a和支路b引起的感應(yīng)電壓分別為：

如果以支路a表示電源路徑，以支路b表示返回路徑，則Va表示電源路徑上的電源噪聲(軌道塌陷/電源反彈)，Vb表示返回路徑上的軌道塌陷/地彈噪聲。這兩種噪聲均會(huì)導(dǎo)致供電電壓的不穩(wěn)定，引起電源完整性的問(wèn)題，因此我們的設(shè)計(jì)目的之一就是最小化上述的兩種電壓，有兩條途徑：

盡可能減小回路電流的變化率：這意味著需減小負(fù)載汲取電流的突變速度，限制共用電源路徑和返回路徑的供電端口的數(shù)目;

盡可能減小支路總電感：這意味著需減小支路的局部自感和增大兩支路之間的局部互感，減小支路的局部自感意味著需使用盡可能短、盡可能寬的電源路徑和返回路徑，增大局部互感則意味著需使兩條支路在平行且反向的前提下盡可能地靠近。

從上述分析可以看出，電流變化時(shí)由電感引起的感應(yīng)電壓是電源完整性中許多問(wèn)題的根源，因此減小電源分配系統(tǒng)的上述的感應(yīng)電壓是我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

電容特性

電容是對(duì)兩個(gè)導(dǎo)體在一定電壓下存儲(chǔ)電荷能力的度量。如果給兩個(gè)導(dǎo)體分別加上正電荷和負(fù)電荷，則兩個(gè)導(dǎo)體之間就會(huì)存在電壓。這對(duì)導(dǎo)體的電容量就是單個(gè)導(dǎo)體上所存儲(chǔ)的電荷量與導(dǎo)體間電壓的比值：

——表示電容，單位為法拉(F)

——表示電荷數(shù)，單位為庫(kù)倫(C)

——表示導(dǎo)體間電壓，單位為伏特(V)

當(dāng)兩個(gè)導(dǎo)體間的電壓發(fā)生變化時(shí)這兩個(gè)導(dǎo)體之間會(huì)有電流流過(guò)，流過(guò)的電流可以表示為式1.10：

當(dāng)dV/dt保持不變時(shí)，電容量C越大，流過(guò)電容的電流就越大，也就是說(shuō)電容可以以電壓變化為代價(jià)向外提供電流，只要電容C足夠大，只要很小的電壓變化就可以提供足夠大的電流。

在電源分配系統(tǒng)中電源路徑和返回路徑之間存在電容，其等效電路如圖 1.3所示：

圖 1.3 電源路徑與返回路徑之間的電容的等效電路圖

當(dāng)負(fù)載電流不變時(shí)，其電流由穩(wěn)壓電源部分提供，即圖中的I S，此時(shí)電容兩端電壓與負(fù)載兩端一致，I C=0;

當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是電源無(wú)法很快響應(yīng)負(fù)載電流的變化，即電流I S不會(huì)馬上滿(mǎn)足負(fù)載瞬態(tài)電流要求，負(fù)載的電壓會(huì)降低。但是由于電容電壓與負(fù)載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對(duì)于電容來(lái)說(shuō)電壓變化必然產(chǎn)生電流，此時(shí)電容對(duì)負(fù)載放電，電流I C不再為0，為負(fù)載芯片提供電流。

從上述分析可以看出，電源分配系統(tǒng)的電容可以為負(fù)載提供瞬態(tài)電流，阻礙電壓瞬態(tài)變化，對(duì)于負(fù)載的供電端口的電源完整性是有益的，所以增強(qiáng)電源分配系統(tǒng)的電容特性是我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)之一。

小結(jié)

電源分配系統(tǒng)是本文主要的討論對(duì)象，研究其工作的相關(guān)內(nèi)容是電源完整性的問(wèn)題。電源分配系統(tǒng)分別具有電阻特性、電感特性和電容特性，電阻特性和電感特性對(duì)電源完整性是有害的，電容特性對(duì)電源完整性是有益的。我們的設(shè)計(jì)目標(biāo)是減小甚至消除電阻特性和電感特性的影響，增強(qiáng)電容特性的影響。