电源的完整性培训.pdf

电源的完整性培训 概要 • 1，电源完整性的定义 • 2，电源传输系统的阻抗 • 3，电源传输系统的噪声 • 4，电源传输系统中的电容 • 5，一般的设计原则 电源完整性的定义 • 电源完整性：简称PI(power integrity)，指 在高速系统中，电压在整个电源传输系统 上保持稳定。电源传输系统（PDS power deliver system ）在不同频率上，阻抗特性 不同，使PCB板上电源层与地层间的电压 在电路板的各处不尽相同，从而造成供电 不连续，产生电源噪声，使芯片不能正常 工作；同时由于高频辐射，电源完整性问 题还会带来EMC/EMI问题。 电源系统的阻抗 • 电源系统的阻抗：理想电源的阻抗为0，0 阻抗保证了源端电压与负载端电压一致， 而实际的系统中因为电感的存在导致了负 载端电压的波动，如下图： 电源系统的阻抗 • 电源平面的阻抗计算公式： 电源平面的电感： 电源平面的电容： 上面的电源阻抗计算公式是在没有考虑平面 谐振的情况下得出的。 • 电源平面的目标阻抗： 电源平面的目标阻抗 • Ztarget 目标阻抗 • Power Supply Voltage是工作电压 • Allowed Ripple 是允许的工作电压纹波系数 • Current 是工作电流 • 如1.8V的工作电流2A，允许的纹波系数5 ％，那么它的目标阻抗为： • 平面的谐振 • 电源、地平面可以看作一个电容器，但是 在高频时，由于分布电感ESL的影响，电 源、地平面相当于一个谐振腔，具有谐振 特性，而且自谐振频率是物理结构函数， 在其谐振频率上将表现出很高的阻抗，如 果信号工作频率或者其高次谐波正好在这 个谐振频率上，那么整个系统就是一个巨 大的干扰辐射源。 平面的谐振 • 平面谐振的示意图： 电源传输系统的噪声 电源系统噪声大略有以下几种： • 纹波与开关电源高频干扰噪声 • 同步开关噪声 • 非理想电源平面阻抗的影响 • 电源平面的谐振效应 • 电源地反弹 • 大功率模拟电路如功放、大电流继电器等 同步开关噪声 • 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。如果是由于封装电感而引起地平面 的波动，造成芯片地和系统地不一致，这种现象 我们称为地弹（Ground bounce ）。同样，如果 是由于封装电感引起的芯片和系统电源差异，就 称为电源反弹（Power Bounce）。 同步开关噪声 • 同步开关噪声产生的原因：主要是随着器件的同 步开关输出（SSO，即Simultaneous Switch Output ）而产生，开关速度越快，瞬间电流变化 越显著，电流回路上的电感越大，则产生的SSN 越严重。 • 基本公式为：VSSN=N*LLoop*(dI/dt) ，其中 • I 指单个开关输出的电流； • N 是同时开关的驱动端数目； • LLoop 为整个回流路径上的电感； • VSSN就是同步开关噪声的大小。 同步开关噪声 • 降低同步开关噪声的措施： 降低芯片内部驱动器的开关速率以减小di/di，或减少同时 开关的数目； 降低系统供给电源的电感，高速电路设计中要求使用单独 的电源层，并让电源层和地平面尽量接近； 降低芯片封装中的电源和地管脚的电感，比如增加电源/ 地的管脚数目，减短引线长