高速信號的電源完整性分析

1、高速電路信號完整性分析與設(shè)計,電子工業(yè)出版社教材配套電子教案,第九章高速信號的電源完整性分析,電源完整性概述電源分配系統(tǒng)設(shè)計電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,電源完整性概述,電源完整性的相關(guān)概念 電源完整性 指系統(tǒng)供電電源在經(jīng)過一定的傳輸網(wǎng)絡(luò)后在指定器件端口相對該器件對工作電源要求的符合程度。 電源分配網(wǎng)絡(luò) 電源分配網(wǎng)絡(luò)的作用就是給系統(tǒng)內(nèi)所有器件或芯片提供足夠的電源，并滿足系統(tǒng)對電源穩(wěn)定性的要求。

2、 同步開關(guān)噪聲 指當器件處于開關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生的瞬間變化的電流(di/dt )在經(jīng)過回流途徑上存在的電感時，形成交流壓降，從而引起的噪聲，因此同步開關(guān)噪聲也稱為ΔI噪聲。,電源完整性概述,地彈噪聲 它是同步開關(guān)噪聲對電源完整性影響的表現(xiàn)之一，是指芯片上的地參考電壓的跳動。當大量芯片的輸出同時開啟時，將有一個較大的瞬態(tài)電流在芯片與板的電源平面流過，芯片封裝與電源平面的電感和電阻會引發(fā)電源噪聲，這樣會在真正的地平

3、面(0 V)上產(chǎn)生電壓的波動和變化，這個噪聲會影響其他元器件的動作。 回流噪聲 電路只有構(gòu)成回路才有電流的流動，整個電路才能工作，這樣每條信號線上的電流勢必要找一個路徑以從末端回到源端，一般會選擇與之相近的平面。由于地平面(包括電源和地)分割，例如地層被分割為數(shù)字地、模擬地、屏蔽地等，當數(shù)字信號走到模擬地線區(qū)域時，就會產(chǎn)生地平面回流噪聲。,電源完整性概述,電源噪聲的起因造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個方面

4、 ：— 數(shù)字器件在高速開關(guān)狀態(tài)下，△I噪聲電流和瞬態(tài)負載電流過大；— 實際電源分配系統(tǒng)存在電感，造成輸入阻抗過大，造成很大電磁干擾。電源噪聲危害的表現(xiàn)形式 — 同步開關(guān)噪聲 — 非理想電源分配系統(tǒng)的阻抗影響 — 由于電源分配系統(tǒng)可以看成是由很多電感和電容構(gòu)成的網(wǎng)絡(luò)，也可 看成諧振腔，存在諧振效應(yīng)，影響阻抗的大小；同時存在邊緣效應(yīng)，即引起邊緣反射和邊緣輻射現(xiàn)象。,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電源分配系統(tǒng)的分類 局部電源分

5、配網(wǎng)絡(luò) 系統(tǒng)級電源分配網(wǎng)絡(luò) 常用的兩種電源分配方案 電源總線法（Power Bus） 電源位面法（Power Plane）,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電源分配系統(tǒng)的阻抗設(shè)計 目標阻抗法: 首先根據(jù)系統(tǒng)要求，確定目標阻抗，然后設(shè)計電源分配網(wǎng)絡(luò)的阻抗，使其在一定的頻率范圍內(nèi)低于目標阻抗。 確定目標阻抗的計算公式為：,,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電容在電源分配系統(tǒng)中的作用 無論是降低電源平面阻

6、抗，還是減少同步開關(guān)噪聲，電容都起著很大的作用，因此，電容對電源完整性的設(shè)計有重要的作用，電源完整性設(shè)計的重點也是如何合理地選擇和放置這些電容。電容的頻率特性 實際的電容要比理想的電容復(fù)雜的多，除了包含寄生的串聯(lián)電阻Rs (ESR)和串聯(lián)電感Ls (ESL)，還有泄漏電阻Rp、介質(zhì)吸收電容Cda和介質(zhì)吸收電阻Rda等。電容的各種等效模型如下：,圖9.1 電容的各種等效模型,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電容的等效阻抗

7、和串聯(lián)諧振頻率分別為： 電容的阻抗變化與頻率的關(guān)系： 圖9.2 電容阻抗隨頻率變化的曲線圖,,,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,從諧振頻率的公式可以看出，電容大小和ESL值的變化都會影響電容器的諧振頻率： 由于電容在諧振點附近的阻抗最低，所以設(shè)計時盡量選用諧振頻率和實際工作頻率相近的電容。如果工作的頻率變化范圍很

8、大，則可以混合使用電容，即同時選擇一些諧振頻率較小的大電容和諧振頻率較大的小電容。,圖9.3 電容和ESL的變化對頻率特性的影響,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電容的使用——選取合適電容值的計算方法 方法一：通過負載的瞬間電流消耗 計算步驟： 1） 計算負載需要的電流 I 2） 計算所需的電容C 3）考慮到實際情況可能因為溫度、老化等因素影響，

9、實際的電容值應(yīng)比理論計算值稍大以保證一定裕量。,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,方法二：通過回路電感計算 計算步驟： 1） 計算電源回路允許的最大阻抗Xmax 2） 考慮低頻旁路電容的工作范圍 3） 考慮最高有效頻率Fknee，也稱為截止頻率 4） 計算在最大的有效頻率(Fknee)下電容允許的最大電感LTOL 5） 算出需要的電容個數(shù)N

10、 6） 電容在低頻下不能超過允許的阻抗范圍，可算出總的電容值C 7） 最后算出每個電容的取值Cn,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電容布板的注意因素(1) 減小電容引線/引腳的長度；(2) 使用寬的連線；(3) 電容盡量靠近器件，并直接和電源引腳相連；(4) 降低電容的高度(使用表貼型電容)；(5) 電容之間不要共用過孔，可以考慮打多個過孔接電源/地；(6) 電容的過孔要盡量靠近焊盤(能打在焊

11、盤上最佳)。,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電源/地平面對模型分析 電源/地平面對的作用: 為所有的有源器件提供電能 為所有的信號交換提供穩(wěn)定的電壓參考 提供回路電流的通路：地平面和電源平面可以減少電阻引起的電壓損失 減少高頻噪聲 對信號進行屏蔽,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電源的平面模型電源平面模型的拓撲結(jié)構(gòu)將圖9.3所示的電源平面均勻分割成N × N的電源單元，使每個單元在X和Y軸方向都構(gòu)成傳輸線?？梢缘玫?/p>

12、圖9.4。,圖9.3 電源平面物理結(jié)構(gòu),圖9.4 電源平面分割,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,結(jié)合傳輸線的RLC模型，我們可以得到每個電源單元的仿真模型，并最終可以構(gòu)建出電源平面的整體模型。如圖9.5、9.6所示：,圖9.5 電源(地)單元的RLC仿真模型,圖9.6 電源平面整體模型,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,電源網(wǎng)格分析法 電源網(wǎng)格的分析方法包括靜態(tài)電源網(wǎng)格分析法和動態(tài)電源網(wǎng)格分析法兩種。靜態(tài)電源網(wǎng)格分析法 靜態(tài)電

13、源網(wǎng)格分析法無需額外的電路仿真即能提供全面的覆蓋。具體步驟如下：① 提取電源網(wǎng)格的寄生電阻；② 建立電源網(wǎng)格的電阻矩陣；③ 計算與電源網(wǎng)格相連的每個電阻或者門的平均電流；④ 根據(jù)晶體管或門的物理位置，將平均電流分配到電阻矩陣中； ⑤ 在每個VDD的I/O引腳上將VDD源應(yīng)用到矩陣；⑥ 利用靜態(tài)矩陣解決方案計算流經(jīng)電阻矩陣的電流和IR壓降。,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,動態(tài)電源網(wǎng)格分析法 動態(tài)電源網(wǎng)格分析法不僅要求提取電

14、源網(wǎng)格的寄生電阻，還要求提取寄生電容，并要完成電阻RC矩陣的動態(tài)電路仿真。 動態(tài)電源網(wǎng)格分析法的典型步驟：① 提取電源網(wǎng)格的寄生電阻和電容；② 提取信號網(wǎng)絡(luò)的寄生電阻和電容；③ 提取設(shè)計網(wǎng)表； ④ 根據(jù)提取的寄生電阻、電容值和網(wǎng)表生成電路網(wǎng)表； ⑤ 依據(jù)仿真向量集執(zhí)行電路仿真，主要仿真晶體管或門的動態(tài)轉(zhuǎn)換以及該轉(zhuǎn)換對電源網(wǎng)格的影響。,電源分配系統(tǒng)設(shè)計,動態(tài)電源網(wǎng)格分析法的局限性：① 寄生提取要求非常高，因為需要提取

15、電源網(wǎng)格的電阻和電容以及信號網(wǎng)絡(luò)的電容。② 電路仿真的對象非常多，會使電路仿真引擎滿負荷工作。③ 用做激勵信號的向量集在決定輸出質(zhì)量時起著重要的作用。如果沒有采用完整的測試向量集，那么結(jié)果將是令人懷疑的，因為電源網(wǎng)格的某些部分可能沒有被仿真到。④ 最后，由于單個電源網(wǎng)格就有如此多的考慮因素，基于全面動態(tài)仿真的電源網(wǎng)格分析法將難以適應(yīng)設(shè)計規(guī)模的進一步增加。,電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,疊層對電源分配系統(tǒng)的影響 多層板和覆銅層

16、 多層板在設(shè)計中和普通的PCB相比，除了添加了必要的信號走線層之外，最重要的是安排了獨立的電源和地層(敷銅層)。在高速數(shù)字電路系統(tǒng)中，使用電源和地層來代替以前的電源和地總線的優(yōu)點在于： 為數(shù)字信號的變換提供了一個穩(wěn)定的參考電壓。 將電源同時均勻地加在每個邏輯器件上。 有效地抑制信號之間的串擾。,電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,高頻下地平面層對信號的影響 在高頻情況下，信號的回路電流是沿著電感最小的路徑（

17、也就是阻抗最小的路徑）流回，這表現(xiàn)在回路電流集中分布在信號走線的正下方。反過來，如果信號線和回路離得很近，那么兩者電流大小近似相等，方向相反，在外部空間產(chǎn)生的磁場可以相互抵消，因此對外界的EMI也很小。所以，在疊層設(shè)置時最好保證每個信號走線層都有很近的地平面層相對應(yīng)。,圖9.7 低頻下與高頻下的回流路徑,電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,疊層數(shù)影響因素 性能和成本是決定疊層數(shù)的兩個重要指標，通常設(shè)計人員都必須在這二者之間進行折中選

18、擇。 疊層設(shè)計建議遵循的原則 (1) 敷銅層最好要成對設(shè)置，比如六層板的2，5層或者3，4層要 一起敷銅，這是考慮到工藝上平衡結(jié)構(gòu)的要求，因為不平衡的敷銅層可能會導致PCB的翹曲變形。 (2) 信號層和敷銅層要間隔放置，最好每個信號層都能至少和一個敷銅層緊鄰。 (3) 縮短電源和地層的距離，有利于電源的穩(wěn)定和減少EMI。 (4) 在很高速的情況下，可以加入多余的地層

19、來隔離信號層，但建議不要多加電源層來隔離，這樣可能造成不必要的噪聲干擾。,電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,幾種典型的疊層設(shè)計方案(1) 四層板 電源—信號—信號—地 地—電源—信號—地(2) 六層板 信號—地—信號—信號—電源—信號 信號—地—信號—電源—地—信號(3) 十層板 信號—信號—地—信號—信號—信號—信號—電源—信號—信號 信號—地—信號—信號—電源—地—信號—信號—地—信號,電路板中電源系統(tǒng)設(shè)計,PCB上電源分配系