信號完整性系列之“PI”

時間：2021-07-17 11:04:52

關(guān)鍵字：電源完整性電路板

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[導讀]本文主要介紹電源完整性，包括紋波、噪聲、回溝等。

電源完整性就是要確保電源Source端及Sink端的電壓及電流符合需求。設(shè)計目標是把電源噪聲控制在允許的范圍內(nèi)，為芯片提供干凈穩(wěn)定的電壓，并使它能夠維持在一個很小的容差范圍內(nèi)(通常為5%以內(nèi))，能實時響應負載對電流的快速變化，并能夠為其他信號提供低阻抗的回流路徑。電源完整性主要分為以下四個層面：芯片層面、芯片封裝層面、電路板層面及系統(tǒng)層面。芯片設(shè)計主要關(guān)注芯片層面和封裝層面的電源完整性；板級設(shè)計主要關(guān)心電路板層面，包括電源部分的紋波、噪聲、EMC等；系統(tǒng)設(shè)計主要關(guān)注系統(tǒng)層面的PI，包括電源分配系統(tǒng)(PDS)如何為各個印刷電路板(PCB)上各部件提供穩(wěn)定的電壓；如何抑制由復雜的互連結(jié)構(gòu)引起的電源噪聲；如何提高高速信號質(zhì)量等。

本文主要介紹電路板層面的電源完整性設(shè)計，主要指標有以下幾個：

保證芯片電源輸入引腳的電壓紋波噪聲滿足規(guī)格要求（比如芯片電源管腳的輸入電壓要求1V之間的誤差小于±50 mV）；
控制地彈（同步切換噪聲SSN、同步切換輸出SSO等）；
降低電磁干擾（EMI）并且符合電磁兼容性（EMC），PDN是電路板上最大型的導體，因此也是最容易發(fā)射及接收噪聲的天線。

紋波和噪聲

紋波和噪聲往往被混為一談，其實紋波和噪聲是有區(qū)別的，紋波是指在電源輸出的時候，電源自身開關(guān)引起的一種固定頻率波動的現(xiàn)象，紋波一般跟電源的開關(guān)頻率同步，由電容的充放電、PWM調(diào)節(jié)等產(chǎn)生。噪聲是一個籠統(tǒng)的說法，包含很多種的成分，既包括底噪、電磁耦合、電源平面的諧振等，同時也包括電源自身的噪聲。噪聲主要是來自板上用電器件，隨著用電器件內(nèi)驅(qū)動、接收開關(guān)變化，電源網(wǎng)絡(luò)上的電流也會隨之變化，電流的變化也引起了電壓的波動，因此這一部分的噪聲占電源噪聲的很大比重，其他的像電磁耦合等占的比重一般較小，但是在設(shè)計中也應該避免這些情況的發(fā)生。

在測試紋波的時候需要使用20MHz的帶寬限制，目的是為了把高頻的噪聲去掉，位置要選擇在電源輸出位置，抓到真實的電源紋波。在測試電源噪聲的時候不做帶寬限制，目的是最大可能獲取真實情況，位置選擇可不固定，可在電源輸出端，也可在用電芯片電源引腳端，但一般來說，在用電芯片引腳端測試噪聲更有參考意義，這樣才包含了整個PDN的噪聲。但在工程上，在對電源進行測試時，一般并不刻意地把紋波和噪聲分開，測量的是紋波和噪聲兩者的合成干擾，用峰峰值表示。回溝
除了紋波和噪聲外，電源部分經(jīng)常被忽略的一個指標就是電源的上升單調(diào)性，啟動過程中，電源電壓保持單調(diào)爬升非常重要，只有這樣才能確保器件成功開啟。一般的器件都給出了嚴格的電壓單調(diào)上升要求，即電源電壓應該連續(xù)上升至所設(shè)置的穩(wěn)壓值，中間不應發(fā)生跌落。如果電源不能提供足夠的輸出功率，則會造成跌落。上電過程電源不是線性增加，而會出現(xiàn)電壓降低的現(xiàn)象，稱為上電回溝。

產(chǎn)生回溝的主要原因是：