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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。同步開關(guān)噪聲指當(dāng)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
2、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(dāng)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面(0V)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?；亓髟肼曤娐分挥袠?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(dāng)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
3、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：—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(fù)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??；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（PowerBus）電源位面法（Powe
4、rPlane）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(biāo)阻抗法:首先根據(jù)系統(tǒng)要求，確定目標(biāo)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(biāo)阻抗。確定目標(biāo)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
5、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
6、方法方法一：通過負(fù)載的瞬間電流消耗計算步驟：1）計算負(fù)載需要的電流I2）計算所需的電容C3）考慮到實際情況可能因為溫度、老化等因素影響，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Xmax2）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LTOL5）算出需要的電容個數(shù)N6）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C7）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
7、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?fù)浣Y(jié)構(gòu)將圖9.3所示的電源平面均勻分割成N
8、×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。可以得到圖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
