电源完整性分析(于争博士).pdf

电源完整性设计 电源完整性设计 电电源源完完整整性性设设计计 作者:于博士 一、为什么要重视电源噪声 芯片内部有成千上万个晶体管，这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计 数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。随着芯片的集成度越来越高，内部晶体管数量 越来越大。芯片的外部引脚数量有限，为每一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。芯 片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的供电节点，因此内部晶体管状态的转换必然 引起电源噪声在芯片内部的传递。 对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步，但是由于内部延时的差 别，各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的，当某些晶体管已经完成了状态转换，另一 些晶体管可能仍处于转换过程中。芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其他门 电路的输入部分。如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域，那么电源噪 声可能会被放大，并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰，进而引起电路的逻辑错误。芯片 外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播，还可能会触发内部寄存器产生状态转换。 除了对芯片本身工作状态产生影响外，电源噪声还会对其他部分产生影响。比如电源噪 声会影响晶振、PLL、DLL的抖动特性，AD转换电路的转换精度等。解释这些问题需要非常 长的篇幅，本文不做进一步介绍，我会在后续文章中详细讲解。 由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性，如果是由于电源系统产 生的问题，电路将非常难调试，因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则，使电 源系统更加稳健。 二、电源系统噪声余量分析 绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围，这个值通常是±5%。例如：对于3.3V 电压，为满足芯片正常工作，供电电压在3.13V到3.47V之间，或3.3V±165mV。对于1.2V 电压，为满足芯片正常工作，供电电压在1.14V到1.26V之间，或1.2V±60mV。这些限制可 以在芯片datasheet中的recommended operating conditions部分查到。这些限制要考虑 两个部分，第一是稳压芯片的直流输出误差，第二是电源噪声的峰值幅度。老式的稳压芯片 的输出电压精度通常是±2.5%，因此电源噪声的峰值幅度不应超过±2.5%。当然随着芯片工 艺的提高，现代的稳压芯片直流精度更高，可能会达到±1%以下，TI公司的开关电源芯片 TPS54310精度可达±1%，线性稳压源AMS1117可达±0.2%。但是要记住，达到这样的精度是 有条件的，包括负载情况，工作温度等限制。因此可靠的设计还是以±2.5%这个值更把握些。 如果你能确保所用的芯片安装到电路板上后能达到更高的稳压精度，那么你可以为你的这款 设计单独进行噪声余量计算。本文着重电源部分设计的原理说明，电源噪声余量将使用± 2.5%这个值。 电源噪声余量计算非常简单，方法如下： 比如芯片正常工作电压范围为3.13V到3.47V之间，稳压芯片标称输出3.3V。安装 到电路板上后，稳压芯片输出3.36V。那么容许电压变化范围为3.47-3.36=0.11V=110mV。稳 压芯片输出精度±1%，即±3.363*1%=±33.6 mV。电源噪声余量为110-33.6=76.4 mV。 计算很简单，但是要注意四个问题： 第一，稳压芯片输出电压能精确的定在3.3V么？外围器件如电阻电容电感的参数 也不是精确的，这对稳压芯片的输出电压有影响，所以这里用了3.36V这个值。在安装到电 路板上之前，你不可能预测到准确的输出电压值。 第二，工作环境是否符合稳压芯片手册上的推荐环境？器件老化后参数还会和芯片 手册上的一致么？ 第三，负载情况怎样？这对稳压芯片的输出电压也有影响。 第四，电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声来源不仅仅是电源噪声， 反射串扰等信号完整性问题也会在信号上叠加噪声，不能把所有噪声余量都分配给电源系 统。所以，在设计电源噪声余量的时候要留有余地。 另一个重要问题是：不同电压等级，对电源噪声余量要求不一样，按±2.5%计算的 话，1.2V电压等级的噪声余量只有30mV。这是一个很苛刻的限制，设计的时候要谨慎些。 模拟电