高速电路信号完整性分析与设计九.doc

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1、第9章高速信号的电源完整性分析在电路设计中，设计好一个高质量的高速PCB板，应该从信号完整性(SI——SignalIntegrity)和电源完整性(PI——PowerIntegrity)两个方面来考虑。尽管从信号完整性上表现出来的结果较为直接，但是信号参考层的不完整会造成信号回流路径变化多端，从而引起信号质量变差，连带引起了产品的EMI性能变差。这将直接影响最终PCB板的信号完整性。因此研究电源完整性是非常必要和重要的。9.1电源完整性概述虽然电子设计的发展已经有相当长的历史，但是高速信号是近些年才开始面对的问题，随之出现的电源完整性的许多概念并不为大多数人所了解

2、。这里，对其中涉及到的一些基本名词做些简单的介绍。9.1.1电源完整性的相关概念电源完整性(PowerIntegrity)：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（SimultaneousSwitchNoise，简称SSN）：是指当器件处于开关状态，产生瞬间变化的

3、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

4、增大。回流噪声：众所周知，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声。9.1.2电源噪声的起因及危害造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是数字器件高速开关状态下，△I噪声电流和瞬态负载电流过大；二是实际电源分配系统存在电感,造成输入阻抗过大,造成很大电磁骚扰。从表现形式上来看又可以分为三类：一是同步开关噪声（SimultaneousSwitchNois

5、e，简称SSN），有时被称为Δi噪声，地弹（Groundbounce）现象也可归于此类（图9－1-a）；二是非理想电源分配系统的阻抗影响（图9－1-b）；三是由于电源分配系统可以看成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（图9－1-c）。在前面第六章中已经详细介绍了同步开关噪声的问题。图9－1-a同步开关噪声图9－1-b非理想电源阻抗图9－1-c谐振及边缘效应从前面的图9－1-c我们可以看到，电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可以看成是一个共振腔，在一定频率下，这些电

6、容和电感会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。比如一个8英寸×9英寸的PCB空板，板材是普通的FR4，电源和地之间的间距为4.5Mils，随着频率的增加，电源阻抗是不断变化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗也随之明显增加（见图9－2）。频率（单位：G赫兹）图9－2电源平面的谐振现象除了谐振效应，电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中需要注意的问题，这里说的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象，也可以列入EMI讨论的范畴。如果抑制了电源平面上的高频噪声，就能很好的减轻边缘的电磁辐射，通常是采用添加去耦电容的方法，从图9－3中可以看出去耦电容在抑制边缘辐射中

7、的作用。边缘效应是无法完全避免的，在设计PCB时，要尽量让信号走线远离铺铜区边缘，以避免受到太大的干扰。图9－3去耦电容在抑制边缘辐射中的作用9.2电源分配系统设计分析高速PCB电源完整性设计的主要问题之一,就是电源分配系统的设计。电源分配系统的质量直接影响信号的质量。在高速系统中,电源分配系统在不同频率时,存在不同输入阻抗,导致PCB电源/地平面上出现由ΔI噪声电流,瞬态负载电流引起的ΔI噪声电压。这会造成供电不连续,导致电磁骚扰发生,严重影响高速系统的正常工作。理想电压源的源阻抗为零,保证电磁骚扰被吸收,负载上的电压与源电压相等。而实际电源存在阻抗,引起电源完

8、整性问题,