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第九章高速信号的电源完整性分析 电源完整性概述 电源分配系统设计 电路板中电源系统设计 电源完整性概述 电源完整性的相关概念 电源完整性 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。 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 指当器件处于开关状态下产生的瞬间变化的电流(di/dt )在经过回流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而引起的噪声，因此同步开关噪声也称为ΔI噪声。 电源完整性概述 电源完整性概述 电源噪声的起因 造成电源不稳定的根源主要在于两个方面 ： — 数字器件在高速开关状态下，△I噪声电流和瞬态负载电流过大； — 实际电源分配系统存在电感，造成输入阻抗过大，造成很大电磁干扰。 电源噪声危害的表现形式 — 同步开关噪声 — 非理想电源分配系统的阻抗影响 — 由于电源分配系统可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可 看成谐振腔，存在谐振效应，影响阻抗的大小；同时存在边缘效应，即引起边缘反射和边缘辐射现象。 电源分配系统设计 电源分配系统的分类 局部电源分配网络 系统级电源分配网络 常用的两种电源分配方案 电源总线法（Power Bus） 电源位面法（Power Plane） 电源分配系统设计 电源分配系统的阻抗设计 目标阻抗法: 首先根据系统要求，确定目标阻抗，然后设计电源分配网络的阻抗，使其在一定的频率范围内低于目标阻抗。 确定目标阻抗的计算公式为： 电源分配系统设计 电源分配系统设计 电源分配系统设计 从谐振频率的公式可以看出，电容大小和ESL值的变化都会影响电容器的谐振频率： 由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以设计时尽量选用谐振频率和实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大，则可以混合使用电容，即同时选择一些谐振频率较小的大电容和谐振频率较大的小电容。 电源分配系统设计 电容的使用——选取合适电容值的计算方法 方法一：通过负载的瞬间电流消耗 计算步骤： 1） 计算负载需要的电流 I 2） 计算所需的电容C 3）考虑到实际情况可能因为温度、老化等因素影响，实际的电容值应比理论计算值稍大以保证一定裕量。 电源分配系统设计 方法二：通过回路电感计算 计算步骤： 1） 计算电源回路允许的最大阻抗Xmax 2） 考虑低频旁路电容的工作范围 3） 考虑最高有效频率Fknee，也称为截止频率 4） 计算在最大的有效频率(Fknee)下电容允许的最大电感LTOL 5） 算出需要的电容个数N 6） 电容在低频下不能超过允许的阻抗范围，可算出总的电容值C 7） 最后算出每个电容的取值Cn 电源分配系统设计 电容布板的注意因素 (1) 减小电容引线/引脚的长度； (2) 使用宽的连线； (3) 电容尽量靠近器件，并直接和电源引脚相连； (4) 降低电容的高度(使用表贴型电容)； (5) 电容之间不要共用过孔，可以考虑打多个过孔接电源/地； (6) 电容的过孔要尽量靠近焊盘(能打在焊盘上最佳)。 电源分配系统设计 电源/地平面对模型分析 电源/地平面对的作用: 为所有的有源器件提供电能 为所有的信号交换提供稳定的电压参考 提供回路电流的通路：地平面和电源平面可以减少电阻引起的电压损失 减少高频噪声 对信号进行屏蔽 电源分配系统设计 电源的平面模型 电源平面模型的拓扑结构 将图9.3所示的电源平面均匀分割成N × N的电源单元，使每个单元在X和Y轴方向都构成传输线。可以得到图9.4。 电源分配系统设计 结合传输线的RLC模型，我们可以得到每个电源单元的仿真模型，并最终可以构建出电源平面的整体模型。如图9.5、9.6所示： 电源分配系统设计 电源网格分析法 电源网格的分析方法包括静态电源网格分析法和动态电源网格分析法两种。 静态电源网格分析法 静态电源网格分析法无需额外的电路仿真即能提供全面的覆盖。具体步骤如下： ① 提取电源网格的寄生电阻； ② 建立电源网格的电阻矩阵； ③ 计算与电源网格相连的每个电阻或者门的平均电