电源完整性设计分析

来源:网络整理 作者:2017年11月27日 17:00
关键词:电源完整性

  一、电源完整性是指什么?

  电源完整性通常指三个方面:

  1、电源纹波及噪声要满足系统工作要求。

  2、由于模拟电源要求的噪声极小,所以必须通过一定手段滤除外界噪声干扰。

  3、电源系统要提供给芯片所需的额定电平,不能有太大偏离。

  第1和第2点相似,都和电源噪声有关。第3点要求电源在路径上不能有太大的直流压降。电源质量如果不满足要求,往往导致PCB出现无规则的怪异行为,很难直接定位问题所在,往往需要很长时间才能找到故障原因。所以电源完整性问题必须引起足够重视。

  二、电源完整性的相关概念

  电源完整性 (Power Integrity) :是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。虽然电源完整性是讨论电源供给的稳定性问题,但由于地在实际系统中总是和电源密不可分的,通常把如何减少地平面的噪声也做为电源完整性的一部分讨论。

  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(Simultaneous Switch Noise,简称SSN):是指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流(di/dt),在经过回流途径上存在的电感时,形成交流压降,从而引起噪声,所以也称为Δi噪声。同步开关噪声包括电子噪声、地弹噪声、回流噪声、断点噪声等。它对电源完整性的影响表现为地弹和电源反弹。

  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,这个噪声会影响其它元器件的动作。负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

  三、电源完整性的起因

  造成电源不稳定的根源主要在于两个方面:一是器件高速开关状态下,瞬态的交变电流过大;二是电流回路存在电感。

  从表面形式上来看又可以分为三类:同步开关噪声(SSN),有时被称为Δi噪声,地弹(Ground bounce)现象也可归于此类;非理想电源阻抗影响;谐振及边缘效应。

  电源完整性的作用是为系统所有的信号线提供完整的回流路径。但是随着科技的发展往往电源完整性得不到实现,其破坏电源完整性的主要因素只要有以下几种:地弹噪声太大,去耦电容设计不合理,回流影响严重,多电源、地平面的分割不当,地层设计不合理,电流分配不均匀,高频的趋肤效应导致系统阻抗变化等等。

  四、基于电源完整性考虑的设计分析

  由上文可以了解到有很多因素可以破坏电源完整性。在此,通过分析电源电阻的设计,达到避免由于完整性遭到破换影响信号实现功能的目的。

  电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统。电源分配系统的作用是给系统的每一个器件提供足够的电源,使其满足系统要求。电源之所以波动,本质原因就是电源平面存在阻抗,瞬间电流通过,将产生电压降落和电压摆动。正常情况下,电压波动范围不超过+/-5%.为了保证电源完整性,应该假定嗲预案噪声,通过降低电源阻抗可达到目的,下面我们通过举例来讨论怎么降低电源阻抗。

  例如,一个10v的电源,允许的波动范围为5%,最大瞬间电流为1A,那么最大电源阻抗为:

电源完整性设计分析

  然而,目前电路设计的趋势是电压变小,瞬时电流变大,从上面的公式可以看到,最大的电源阻抗呈现下降的趋势,这就更加要求我们在电源完整性设计的过程中减小电源阻抗。

  在设计电源阻抗的时候,我们不仅要计算直流阻抗(电阻),还要考虑高频下的交流阻抗(主要是电感)。一般在时钟的上升和下降沿,电源系统会产生瞬间的电流变化,用如下公式来表达受阻抗影响的电源电压波动:

电源完整性设计分析

  通过观察公式,我们在设计过程中可以考虑通过如下措施达到降低电源的电阻和电感:

  ① 使用电阻率低的材料,比如铜;

  ② 用较厚、较粗的电源线,并尽可能减少长度;

  ③ 降低接触电阻;

  ④ 减小电源内阻;

  ⑤ 电源尽量靠近GND;

  ⑥合理使用去耦电容。

  

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