高速信号的电源完整性分析

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1、高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材配套电子教案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。电源完整性概述地

2、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，这个噪声会影响其他元器件的动作。回流噪声电路只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作，这样每条信号线上的电流势必要找一个路径以从末端回到源端，一般会选择与之相近的平面。由于地平面(包括电源和地)分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪

3、声。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（PowerBus）电源位面法（Powe

4、rPlane）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容在电源分配系统中的作用无论是降低电源平面阻抗，还是减少同步开关噪声，电容都起着很大的作用，因此，电容对电源完整性的设计有重要的作用，电源完整性设计的重点也是如何合理地选择和放置这些电容。电容的频率特性实际的电容要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联电阻Rs(ESR)和串联电感Ls(ESL)，还有泄漏电阻Rp、介质吸收电容Cda和介质吸收电

5、阻Rda等。电容的各种等效模型如下：图9.1电容的各种等效模型电源分配系统设计电容的等效阻抗和串联谐振频率分别为：电容的阻抗变化与频率的关系：图9.2电容阻抗随频率变化的曲线图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。图9.3电容和ESL的变化对频率特性的影响电源分配系统设计电容的使用——选取合适电容值的计算

6、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I2）计算所需的电容C3）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Xmax2）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LTOL5）算出需要的电容个数N6）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C7）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

7、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

8、×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。图9.3电源平面物理结构图9.4电源平面分割电源分配系统设计结合传输线的RLC