电源完整性分析-网际星空
电源完整性分析
电源完整性设计详解解电源完整性设计详电源完整性设计详解？1、为什么要重视电源噪声问题为什么要重视电源噪声问题？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。
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。
2、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。
电源完整性问题以及改进思路分析
首页技术文库|业界新闻|产品新知|应用实例|论坛|在线研讨会|深度报道|基础知识库|白皮书放大|调整与转换|功率与驱动|RF/无线|信号处理|信号采集|设计测试有名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询网友推荐相关文章精品文章IIC-China2010春季展上海 3月15-16日白皮书L×(di/dt)，虽然其他噪声成份有时也会占主导地位，比如传播和反射噪声以及谐振噪声压降变异方法来分析集成电路各个部分的电压下降。
随着工艺尺寸的不断缩小，相对重要的电源完，调整比例为，大约工作电压调整比例为，减少量仅约为频率调整比例为，可以有订阅速递赶快加入订阅！热点下载锂离子电池组的主动充电平衡法分析延长锂离子电池寿命的充电和放电方法投票数 芯片面积调整比例为，只减少2绝对技术指南研讨会推荐：我们将讨论如何在当今的嵌入式设计中应用系统级可编程设计方法。
利用这种方法可助你：排行榜在线研讨会新闻聚合器首页技术文库|业界新闻|产品新知|应用实例|论坛|在线研讨会|深度报道|基础知识库|白皮书放大|调整与转换|功率与驱动|RF/无线|信号处理|信号采集|设计测试有名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询网友推荐相关文章精品文章在上述缩放条件下，平均有效电流的缩放系数为电压缩放系数的倒数，即由于频率缩放系数为，因此缩放系数为。
? 另外，由于芯片面积缩放系数为，因此每边的缩放系数。
如果每边尺寸更小，并假设电源总线用相同的宽度和间距绘制，那么每条边的并行总线数量减少，或有效电感增加。
缩放倍数为，或IIC-China2010春季展上海 3月15-16日白皮书锂离子电池组的主动充电平衡法分析延长锂离子电池寿命的充电和放电方法投票数1绝对技术指南研讨会推荐：订阅速递赶快加入订阅！热点下载排行榜研讨会推荐：我们将讨论如何在当今的嵌入式设计中应用系统级可编程设计方法。
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芯片设计中的电源完整性分析方法有哪些
芯片设计中的电源完整性分析方法有哪些在当今高度集成的芯片设计领域，电源完整性分析已成为确保芯片性能和可靠性的关键环节。
电源完整性问题若未得到妥善处理，可能导致信号失真、噪声增加、功耗上升以及芯片功能故障等严重后果。
那么，在芯片设计中，都有哪些有效的电源完整性分析方法呢？首先，我们来谈谈直流压降（IR Drop）分析。
这是电源完整性分析中的基础且重要的一步。
芯片在工作时，电流会从电源引脚流入，通过电源网络分配到各个电路模块。
由于电源网络存在电阻，电流通过时会产生电压降。
过大的直流压降会使芯片某些区域供电不足，影响其正常工作。
为了进行直流压降分析，需要建立芯片的电源网络模型，包括电源层、过孔、走线等的电阻信息。
通过模拟电流在网络中的流动，计算出各个节点的电压值，从而评估直流压降是否在可接受的范围内。
接下来是交流阻抗分析。
随着芯片工作频率的不断提高，电源网络的寄生电感和电容对电源完整性的影响愈发显著。
交流阻抗分析主要关注电源网络在不同频率下的阻抗特性。
当电流变化频率较高时，寄生电感会产生较大的感抗，而寄生电容则会在特定频率下形成谐振，导致电源噪声增大。
通过对电源网络进行频域分析，可以确定其阻抗曲线，识别可能存在的谐振点，并采取相应的措施，如添加去耦电容来降低阻抗，减小电源噪声。
电迁移分析也是不容忽视的一个方面。
长时间的大电流通过金属导线会导致原子迁移，从而可能引发导线断裂等可靠性问题。
电迁移分析需要考虑电流密度、温度等因素，评估导线的寿命和可靠性。
通过计算电流密度分布，并结合材料特性和工作环境，预测电迁移可能发生的位置和时间，以便在设计阶段采取优化措施，如增加导线宽度、调整布线等。
电源噪声分析是另一个关键环节。
芯片内部的数字电路在开关状态转换时会产生瞬间的电流变化，这会引起电源电压的波动，即电源噪声。
电源噪声分析旨在评估这种噪声对芯片性能的影响。
通过模拟电路的开关行为，结合电源网络的阻抗特性，可以计算出电源噪声的幅度和频谱。
电源完整性总结
1、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%，。
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%。
精度是有条件的，包括负载情况，工作温度等限制，因此要有余量。
电源噪声余量计算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。
2、电源噪声是如何产生第一，稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹。
第二，稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。
稳压电源芯片通过感知其输出电压的变化，调整其输出电流，从而把输出电压调整回额定输出值。
第三，负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降，，引脚及焊盘本身也会有寄生电感存在，瞬态电流流经此路径必然产生压降，因此负载芯片电源引脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动，这就是阻抗产生的电源噪声。
3、电容退耦采用电容退耦是解决电源噪声问题的主要方法。
这种方法对提高瞬态电流的响应速度，降低电源分配系统的阻抗都非常有效。
3.1、从储能的角度来说明电容退耦原理当负载电流不变时，其电流由稳压电源部分提供，即图中的I0，方向如图所示。
此时电容两端电压与负载两端电压一致，电流I c 为0，电容两端存储相当数量的电荷，其电荷数量和电容量有关。
当负载瞬态电流发生变化时，由于负载芯片内部晶体管电平转换速度极快，必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。
但是稳压电源无法很快响应负载电流的变化，因此，电流I0 不会马上满足负载瞬态电流要求，因此负载芯片电压会降低。
但是由于电容电压与负载电压相同，因此电容两端存在电压变化。
电源完整性问题以及改进思路分析
电源完整性问题以及改进思路分析-Ⅱ上网日期: 2008年08月06日有[ 1 ]名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询网友推荐相关文章∙电源完整性问题以及改进思路分析-Ⅰ(2008-07-29)精品文章∙提高低静态电流LDO负载瞬变响应性能的诀窍∙解决手持式设备设计挑战的几点建议∙电源完整性问题以及改进思路分析-Ⅱ更多精品文章关键字：电源完整性环路电感工艺缩放在本文的第一部分里，详细介绍了电源完整性的基本概念，以及环路电感、L×(di/dt)和工艺对电源完整性的影响等。
这里，将详细介绍电源完整性设计中的最优IR压降方法，以及片上电感对电源完整性所带来的影响。
另外，还将详细介绍像45nm这类更新的工艺节点上，电源完整性经常存在的导致器件良率下降的问题，包括呈2次方或指数式增长的L×(di/dt)噪声，全面电源完整性技术和EDA工具的严重缺乏，无法清楚地理解芯片电源完整性等等。
最后将讨论针对上述这些问题的可能解决方法。
IR压降与片上电感那些更负责任的设计师会遵循最优的IR压降方法，并推导出平均芯片电流会增加，因此需要更多的电源网格金属。
设计师面临着两种选择，一种是增加电源总线的数量，这意味着减少总线间距，一种是增加总线中金属走线的宽度，但受布线要求的约束。
通常设计师会选择增加金属走线宽度，而不选择减少总线间距而使布线更加拥挤，并利用IR压降工具来改善噪声。
遗憾的是，这种解决方案很不实用，特别是当主要的噪声来源是L×(di/dt)时，因为增加金属走线宽度和总线间的轴向隔离度对改善噪声的作用非常有限，甚至会出现负面影响。
除此之外，高频电流通常被限制在电源总线的低电感区域。
上述两种都存在缺陷的方法有一个共同的因素，即它们异乎寻常地依赖于先前的知识和经验，而不是依靠全面的验证来弥补方法的不足。
可以预见的是，这种不适当的依赖性肯定会降低工作质量甚至最终结果，就像包含许多不确定性的金融投资那样，过去的业绩并不能保证未来结果。
电源完整性分析
电源完整性分析姓名：郝晓飞班级：电研-10一、基本概念电源完整性，简称PI（power integrity）.目前，对于信号完整性的分析，除了要考虑反射，串扰以及电磁干扰（EMI）外，电源完整性的分析被人们越来越多的关注，可靠稳定的电源供应成为设计者们研究的一个重要方向。
在以往对信号完整性分析时，一般都假设电源处于绝对稳定的状态，但是随着系统设计对仿真精度的要求不断提高，这种假设越来越不能被接受，因此，PI应运而生。
信号完整性主要与传输线上的质量相对应，电源完整性主要与高速电路系统中电源和地的质量相对应。
在对高速电路进行仿真时，往往因信号参考层的不完整性造成信号回路路径变化多端，从而引起信号质量变差和产品的EMI性能变成，并直接影响信号完整性。
为了提高信号质量、产品的EMI性能，人们开始研究为喜好提供一个稳定、完整的参考平面，随即提出了电源完整性的概念。
二、电源完整性的起因造成电源不稳定的根源主要在于两个方面：一是器件高速开关状态下，瞬态的交变电流过大；二是电流回路存在电感。
从表面形式上来看又可以分为三类：同步开关噪声（SSN），有时被称为Δi噪声，地弹（Ground bounce）现象也可归于此类；非理想电源阻抗影响；谐振及边缘效应。
电源完整性的作用是为系统所有的信号线提供完整的回流路径。
但是随着科技的发展往往电源完整性得不到实现，其破坏电源完整性的主要因素只要有以下几种：地弹噪声太大，去耦电容设计不合理，回流影响严重，多电源、地平面的分割不当，地层设计不合理，电流分配不均匀，高频的趋肤效应导致系统阻抗变化等等。
三、基于电源完整性考虑的设计分析由上文可以了解到有很多因素可以破坏电源完整性。
在此，通过分析电源电阻的设计，达到避免由于完整性遭到破换影响信号实现功能的目的。
电源噪声的产生在很大程度上归结于非理想的电源分配系统。
电源分配系统的作用是给系统的每一个器件提供足够的电源，使其满足系统要求。
电源之所以波动，本质原因就是电源平面存在阻抗，瞬间电流通过，将产生电压降落和电压摆动。
电源完整性
引言电源完整性这一概念是以信号完整性为基础的，两者的出现都源自电路开关速度的提高。
当高速信号的翻转时间和系统的时钟周期可以相比时，具有分布参数的信号传输线、电源和地就和低速系统中的情况完全不同了。
与信号完整性是指信号在传输线上的质量相对应，电源完整性是指高速电路系统中电源和地的质量。
它在对高速电路进行仿真时，往往会因信号参考层的不完整造成信号回流路径变化多端，从而引起信号质量变差和产品的ＥＭＩ性能变差，并直接影响信号完整性。
为了提高信号质量、产品的ＥＭＩ性能，人们开始研究怎样为信号提供一个稳定、完整的参考平面，并随之提出了电源完整性的概念。
ＥＤＡ厂商Ｃａｄｅｎｃｅ公司资深技术工程师曾指出，在未来的三到五年内，电源完整性设计将取代信号完整性设计成为高速ＰＣＢ设计新的难点和重点。
电源完整性的影响因素及措施电源完整性的作用是为系统所有的信号线提供完整的回流路径。
但在技术高速发展以及生产成本的控制下，往往不能为所有的信号线提供理想而完整的回流路径，这就是说，在高速电路中，不能够简单地将电源和地当作理想的情况来处理。
这主要是因为地弹噪声太大、去耦电容设计不合理、回流影响严重、多电源／地平面的分割不当、地层设计不合理、电流分配不均匀、高频的趋肤效应导致系统阻抗变化等诸多因素都会破坏电源完整性。
地弹噪声地弹噪声也称为同步开关噪声（ＳＳＮ），通常认为是由电路的感应引起的。
当电路中有较大的瞬态电流出现时（比如多条信号线上的信号同时翻转），会在电路分布参数所引起的感性阻抗上产生瞬态电压，进而便引起ＳＳＮ。
芯片封装结构的ＳＳＮ是由于突变的电流流过封装结构的引脚、引线和焊盘等寄生电感所导致。
如芯片的多个输出管脚同时触发时，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）上产生电压波动，此波动对其他共电源／地总线的静态驱动将构成严重的干扰，甚至引起误触发。
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计.doc
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计信号完整性是指信号在通过一定距离的传输路径后在特定接收端口相对指定发送端口信号的还原程度。
在讨论信号完整性设计的性能时，如果指定不同的收发参考端口，就要用不同的指标来描述信号还原程度。
通常情况下指定的收发参考端口是发送芯片输出处及接收芯片输入处的波形可测点，此时，主要使用上升/下降及保持时间等指标来描述信号还原程度。
当指定的参考收发端口是信道编码器输入端及解码器输出端时，就要用误码率来描述信号还原程度。
电源完整性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。
同样，对于同一系统中的同一个器件，如果指定的端口不同，那么对正常工作的电源要求也不同。
通常情况下指定的器件参考端口是芯片电源及地连接引脚处的可测点，此时该芯片的手册中应给出该端口处的相应指标，常用的有纹波大小或电压最大偏离范围。
一个典型背板信号传输的系统示意图如图1所示。
本文中系统一词包含信号传输所需的所有相关硬件及软件，包括芯片、封装与PCB板的物理结构，电源及电源传输网络，所有相关电路实现以及信号通信所需的协议等。
在设计时，需要硬件提供可制作的支撑及电信号有源/无源互联结构；需要软件提供信号传递的传输协议以及数据内容。
但是，由于这些支撑与互联结构会对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，因此，会对信号及电源的完整性产生影响。
同时，在相同的传输环境下，不同传输协议及不同数据内容的表达方式具有不同的适应能力，因此，需要进一步根据实际的传输环境来选择或优化可行的传输协议及数据内容表达方式。
图1 背板信号传输的系统示意图版图完整性问题、分析与设计上述背板系统中的硬件支撑及无源互联结构基本上都在一种层叠平板结构上实现。
这种层叠平板结构可以由3类元素组成：正片结构、负片结构及通孔。
正片结构有时也被称为信号层，该层上的走线大多为不同逻辑连接的信号线或离散的电源线，在制版光刻中所有的走线都会以相同图形的方式出现；负片结构有时也被称为平面层(细分为电源平面层和地平面层)，该层上基本是相同逻辑的一个或少数几个连接(通常是电源连接或地连接)，用大面积敷铜的方式实现，在光刻工艺中用相反图形来表示；通孔用来进行不同层之间的物理连接。
电源完整性设计详解
电源完整性设计详解目 录1 为什么要重视电源噪声问题？....................................................................- 1 -2 电源系统噪声余量分析................................................................................- 1 -3 电源噪声是如何产生的？............................................................................- 2 -4 电容退耦的两种解释....................................................................................- 3 -4.1 从储能的角度来说明电容退耦原理。
..............................................- 3 -4.2 从阻抗的角度来理解退耦原理。
......................................................- 4 -5 实际电容的特性............................................................................................- 5 -6 电容的安装谐振频率....................................................................................- 8 -7 局部去耦设计方法......................................................................................- 10 -8 电源系统的角度进行去耦设计..................................................................- 12 -8.1 著名的Target Impedance（目标阻抗）..........................................- 12 -8.2 需要多大的电容量............................................................................- 13 -8.3 相同容值电容的并联........................................................................- 15 -8.4 不同容值电容的并联与反谐振（Anti-Resonance）......................- 16 -8.5 ESR对反谐振（Anti-Resonance）的影响......................................- 17 -8.6 怎样合理选择电容组合....................................................................- 18 -8.7 电容的去耦半径................................................................................- 20 -8.8 电容的安装方法................................................................................- 21 -9 结束语..........................................................................................................- 24 -电源完整性设计详解1、为什么要重视电源噪声问题？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。
集成电路中电源完整性分析与优化
集成电路中电源完整性分析与优化哎呀，一说起集成电路中的电源完整性分析与优化，这可真是个既有趣又有点复杂的话题。
就拿我前阵子遇到的一件事儿来说吧。
我有个朋友在一家小型电子厂工作，他们正在研发一款新的智能设备。
结果在测试阶段，总是出现莫名其妙的故障，一会儿屏幕闪烁，一会儿系统卡顿。
经过一番排查，发现问题竟然出在电源完整性上！咱们先来说说电源完整性是啥。
简单来讲，就是确保集成电路中电源的供应稳定、干净，没有杂波和干扰。
这就好比咱们家里用电，如果电压不稳，那电灯可能会忽明忽暗，电器也容易出毛病。
在集成电路里也是一样，如果电源不干净、不稳定，那整个电路系统就可能会“闹脾气”，不好好工作。
那怎么去分析电源完整性呢？这可得有一双“火眼金睛”。
首先，得看看电源的布线合不合理。
就像咱们修马路，如果路修得弯弯曲曲、宽窄不一，那车跑起来能顺畅吗？电源布线也是这个道理，如果线走得乱七八糟，电流通过的时候就会遇到阻碍，产生压降和噪声。
再来说说电源的阻抗。
阻抗这东西就像电路中的“拦路虎”，如果阻抗不匹配，那电源能量的传输就会大打折扣。
想象一下，你想给朋友递个东西，结果中间有人伸手拦一下，东西能顺利到朋友手里吗？还有电容的布局和选型也很关键。
电容就像是电路中的“小水库”，能储存和释放电能，起到平滑电源波动的作用。
要是电容选得不对或者放的位置不合适，那“小水库”可就发挥不了作用啦。
分析完了，就得想办法优化。
优化的方法有很多，比如说合理规划电源平面，让电流能够顺畅地流动；选择合适的去耦电容，把电源中的杂波“吃掉”；还有优化电源的布线，减少阻抗。
就像我朋友他们那个产品，经过仔细的分析和优化，重新调整了电源布线，增加了一些合适的去耦电容，问题终于解决了，产品也顺利投入生产。
总之，集成电路中的电源完整性分析与优化可不是一件简单的事儿，需要我们像侦探一样，仔细观察、认真分析，找到问题的根源，然后对症下药，才能让集成电路稳定可靠地工作。
这不仅需要扎实的理论知识，还需要丰富的实践经验。
电源完整性基础讲解
电源完整性基础讲解1.从信号完整性角度分析电源将SI以大类来看，其SI&PI&EMI三者的关系：2.电源完整性系统框图3.电源分配网络PDN讲解：电源完整性（PI）更关注于电源路径及终端，也就是电源分配网络（PDN）。
从源端稳压模块（VRM）经过路径（单层直达或过孔转换的几个层面），到达终端，最终流向使用芯片或经过线缆到使用设备。
电源路径与信号路径是有区别的，电源分配网络中一个电源路径可以在一个节点分成多个路径，或者说转换成多个电源，终端挂多个元器件，可以理解为一对多。
而信号路径只能一对一。
既然电源分配网络是为终端设备提供所需电源，那就是有要求，就需要对电源分配网络管控。
如信号路径，除了保证返回电流，还要尽量保证返回路径的低阻抗。
由于是一对多的情况，这样的管控，才能保证返回电流不相互重叠，不会发生地弹，即尽量避免开关噪声（SSN）。
基本要求是，保证供电电压稳定，至少能够维持在一个很小的容差范围内，通常在+/-5%以内。
电源的测试中有纹波测试，这个纹波测试标准就是+/-5%。
讲到返回电流，这里就要分为直流部分和交流部分。
直流部分：终端设备需要稳定的电压输出，电源分配网络互连之间串联电阻的存在，直流部分通过，就会产生压降，通常称为IR 压降。
当电流发生波动时，压降也会随之波动，从而影响终端设备的识别。
之前的USB设备好像最低电压值4.75 V。
交流部分：当交流电流通过电源路径时，电源分配网络上也将产生电压降，这个压降会随着频率发生变化：电源路径的不同（层数&Shape宽度等），造成的压降变化是不同的，输出稳定电压到终端的难度很大，我们所要做的只是保证电压的变化在一定的范围之内，也就是所谓的噪声容差。
上式就可能转换为目标阻抗：既然保证不了路径上电压的稳定，那么电源分配网络的电流在波动的情况下，就需要保持电源分配网络阻抗低于目标阻抗。
需要注意的是，即使同一个电源芯片或模块，针对不同的产品，也会给出不同的标准。
电源完整性分析与设计
电源完整性 分析与设计
文／ 沙 卓 恒
上 的电阻值尽量的小。理想状态下可 以假设传 本 文 将通 过对 电源完整 性 简 单 介 绍和 分析 来使 得在 产 品的设 计过 程 中能 降低设 计 的 复杂度 、 并更快，更好的完成产 品。
作者单位
江苏国光信 息产 业股份有 限公 司 江苏省常州
市 ２ １ ３ ０ ０ ０
量保证源端输 出的电压到接收端 的电压能保持
一
与感抗 正好抵消，此时的阻抗为最小 。所 以设
计 时 尽 量 选 用 和 工 作 频 率 相 近 的 电容 。 因此 在
致 性 。为 此 需 要 让 驱 动 端 到 接 收 端 的传 输 线
２ ３ ２ ・电子 技术 与软 件工 程
Ｅ ｌ ｅ ｃ ｔ ｒ ｏ ｎ ｉ ｃ Ｔ ｅ ｃ ｈ ｎ ｏ ｌ ｏ ｇ ｙ ＆Ｓ ｏ ｆ ｔ ｗ ａ ｒ ｅ Ｅ ｎ ｇ ｉ ｎ ｅ ｅ ｒ ｉ ｎ ｇ
３ 电源 完 整 性 的设 计 目标 与 分析
电 源 完 整 性 需 要 解 决 的最 大 问 题 就 是 尽
电感， 寄生 电阻 串联而 成元 件 。串联 的 Ｒ Ｌ Ｃ
是存在 电容 白谐振频率 ｆ ｏ 。其中 ｆ ｏ 的左边称为
容 性 ， 右边 称 为 感 性 ， 发 生 谐 振 时 电容 的 容 抗
输 线 的 阻 抗 为 零 ， 那 么 该 传 输 线 上 的 任 一 点 的
对 去耦 电容进 行选 择的时候需要充分利用其容
性 的特 性 。 也可 以根 据 实 际设 计 需求 进 行 多 电
电压都相 等，即驱动端到接收端的 电压为一定 值 。然而 实际传 输线的阻抗是不为零 的，传输 线或者传 输平面都存在一定的损耗 ，因此供端 电压到接 收端的电压并不是恒 定值。
详细解析电源完整性去耦电容原理及选型
详细解析电源完整性去耦电容原理及选型（电源）完整性在现今的（电子产品）中相当重要。
有几个有关电源完整性的层面：（芯片）层面、（芯片封装）层面、电路板层面及系统层面。
在电路板层面的电源完整性要达到以下三个需求：1、使芯片引脚的电压噪声+电压纹波比规格要求要小一些（例如芯片电源管脚的输入电压要求1V之间的误差小于+/-50 mV）2、控制接地反弹（地弹）（同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO）3、降低电磁干扰（EMI）并且维持（电磁兼容）性（（EMC））：电源分布（网络）（PDN）是电路板上最大型的导体，因此也是最容易发射及接收噪声的（天线）。
“地弹”，是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。
以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（ground bounce）。
当器件输出端由一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。
对于任何形式封装的芯片，其引脚必会存在电感（电容）等寄生（参数），而地弹主要是由于GND引脚上的阻抗引起的。
（集成电路）的规模越来越大，开关速度不断提高，地弹噪声如果控制不好就会影响电路的功能，因此有必要深入理解地弹的概念并研究它的规律。
我们可以用下图来直观地解释一下。
图中开关Q的不同位置代表了输出的“0”“1”两种状态。
假定由于电路状态转换，开关Q接通RL 低电平，负载电容对地放电，随着负载电容电压下降，它积累的电荷流向地，在接地回路上形成一个大的（电流）浪涌。
随着放电电流建立然后衰减，这一电流变化作用于接地引脚的电感LG，这样在芯片外的电路板“地”与芯片内的地之间，会形成一定的电压差，如图中VG。
这种由于输出转换引起的芯片内部参考地电位漂移就是地弹。
芯片A的输出变化，产生地弹。
这对芯片A的输入逻辑是有影响的。
接收逻辑把输入电压和芯片内部的地电压差分比较确定输入，因此从接收逻辑来看就像输入（信号）本身叠加了一个与地弹噪声相同的噪声。
电源完整性分析-网际星空
电源完整性分析-网际星空本文始於2010年初，2011年開放閱覽，將說明PI不是只看Resonance、Target Impedance來下de-coupling cap.，或看IR drop而已，應先避免電源\地平面不當分割，再下電容加強改善Target Impedance，才是較好的設計方式。
另外還以實例說明做PI模擬時，電容模型輸入正確寄生電感值的重要性，以及分地與合地設計時，近場的差異。
1.Verification of board import1.1 check stack-up1.2 check net1.3 check circuit element2.Resonant mode analysis2.1 未修改前，原分地、分power2.2 部分power plane合併(已合地)2.3 加de-coupling電容(已合地、合power)3.Target Impedance3.1 VDD3.3V for general IO3.2 RF_VDD334.Voltage Drop (IR drop)4.1 Generate sources and sinks4.2 Meshing4.3 Plotting and analyzing results4.3.1. 原分地、分電源4.3.2. 合地、合電源後5.案例分析-- DCDC noise couple5.1 模擬方法描述5.2 模擬結果5.2.1 電流分佈密度5.2.2 近場強度分佈6.問題與討論6.1 為何在數MHz低頻存在resonant頻點?6.2 Resonant 要壓到什麼程度才夠?6.3 Target Impedance要壓到什麼程度才夠?6.4 為何可以用電流密度來解釋合地後noise改善的現象?6.5 如何解釋合地後RF_VDD33的Target Impedance大幅改善的現象?7.補充資料7.1 Compare an microstrip line with different imperfect groundplanes1.Verification of board import1.1 check stack-up (確認堆疊的設定)SIwave v4.0以後的版本，stack-up setting可以存成.stk匯出或匯入。
信号完整性与电源完整性的详细分析
信号完整性与电源完整性的详细分析最近在论坛里看到一则关于电源完整性的提问，网友质疑大家普遍对信号完整性很重视，但对于电源完整性的重视好像不够，主要是因为，对于低频应用，开关电源的设计更多靠的是经验，或者功能级仿真来辅助即可，电源完整性分析好像帮不上大忙，而对于50M -100M以内的中低频应用，开关电源中电容的设计，经验法则在大多数情况下也是够用的，甚至一些芯片公司提供的Excel表格型工具也能搞定这个频段的问题，而对于100M以上的应用，基本就是IC的事情了，和板级没太大关系了，所以电源完整性仿真，除非能做到芯片到芯片的解决方案，加上封装以及芯片的模型，纯粹做板级的仿真意义不大，真是这样吗？其实电源完整性可做的事情还很多，下面就来了解了解吧。
信号完整性与电源完整性分析信号完整性(SI)和电源完整性(PI)是两种不同但领域相关的分析，涉及数字电路正确操作。
在信号完整性中，重点是确保传输的1在接收器中看起来就像1(对0同样如此)。
在电源完整性中，重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。
因此，电源完整性可能会被认为是信号完整性的一个组成部分。
实际上，它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。
分析的必要性如果计算资源是无限的，这些不同类型的分析可能不存在。
整个电路将会被分析一次，而电路某一部分中的问题将会被识别并消除。
但除了受实际上可仿真哪些事物的现实束缚之外，具有不同领域分析的优点在于，可成组解决特定问题，而无需归类为“可能出错的任何事物”。
在信号完整性中，例如，重点是从发射器到接收器的链路。
可仅为发射器和接收器以及中间的一切事物创建模型。
这使得仿真信号完整性变得相当简单。
另一方面，要仿真电源完整性可能有点困难，因为“边界”有点不太明确，且实际上对信号完整性领域中的项目具有一定的依赖性。
在信号完整性中，目标是消除关于信号质量、串扰和定时的问题。
所有这些类型的分析都。
集成电路中电源完整性与信号完整性分析
集成电路中电源完整性与信号完整性分析哎呀，说起集成电路中的电源完整性和信号完整性分析，这可真是个让人又爱又恨的“家伙”。
就拿我之前经历的一件事儿来说吧。
有一次，我参与了一个小型电子设备的研发项目。
那时候，我们团队满心欢喜地设计好了整个集成电路的架构，觉得大功告成。
可谁知道，在实际测试的时候，问题接二连三地冒了出来。
先是电源方面，设备运行没多久，就出现了电压不稳定的情况。
这就好比你正在跑步，突然有人给你使绊子，让你的脚步变得踉踉跄跄。
我们开始仔细排查，发现是电源布线不合理，导致电流在传输过程中出现了损耗和波动。
再说说信号完整性。
明明发送出去的是清晰准确的信号，可接收端却总是出现误码和失真。
这感觉就像是你给朋友精心准备了一份礼物，结果快递给你弄破了包装，里面的东西也坏了。
那咱们先来说说电源完整性。
电源完整性简单来说，就是要确保集成电路中的电源供应稳定、干净，没有杂波和干扰。
这就像我们家里的电，如果电压一会儿高一会儿低，那电器能正常工作吗？肯定不行！在集成电路里也是一样，如果电源不稳定，那各个元器件就像失去了主心骨，没法好好干活。
比如说，在多层电路板的设计中，如果电源层和地层的间距不合理，就会产生寄生电容和电感。
这就好比在一条马路上，突然多了一些障碍物，让电流的通行变得不顺畅。
还有，电源分配网络的设计也至关重要。
如果电阻过大，电流就会遇到“堵车”，导致电压下降。
再讲讲信号完整性。
信号在集成电路中传播，就像是一场旅行。
如果路径不好，信号就会“迷路”或者“受伤”。
比如说，高速信号在传输线上传播时，如果传输线的特征阻抗不匹配，就会发生反射，这就像声音在空旷的山谷中回荡，影响了信号的质量。
还有串扰问题。
相邻的信号线就像住在隔壁的邻居，如果靠得太近，彼此之间就会互相干扰。
想象一下，你正在专心看书，旁边有人大声吵闹，你能静下心来吗？信号也是一样，被干扰了就没法准确传达信息。
为了保证电源完整性和信号完整性，我们在设计的时候要特别小心。
9高速信号的电源完整性分析
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（Power Bus） ➢ 电源位面法（Power Plane）
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。
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(0 V)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。
电路板中电源系统设计
➢ 高频下地平面层对信号的影响
在高频情况下，信号的回路电流是沿着电感最小的路径（也就是 阻抗最小的路径）流回，这表现在回路电流集中分布在信号走线的正下 方。反过来，如果信号线和回路离得很近，那么两者电流大小近似相等， 方向相反，在外部空间产生的磁场可以相互抵消，因此对外界的EMI也 很小。所以，在叠层设置时最好保证每个信号走线层都有很近的地平面 层相对应。
C Id t dV
3）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Xmax 2） 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LTOL 5） 算出需要的电容个数N 6） 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C 7） 最后算出每个电容的取值Cn
电动汽车电机控制器的电源完整性分析
电动汽车电机控制器的电源完整性分析摘要：目前，我国的科学技术得到了不断的更新，新能源电动汽车就是新技术应用过程中的产物之一，本文在保证电源波形质量完整的情况下，通过对有限元系统的应用，对其内部的电机控制器硬件的设计结构，进行了模拟分析。
对能够影响电源完整性的因素进行了研究分析，并且在对PCB电源以及地平面之间的简谐振动进行分析的过程中，采用了SIwave软件的仿真技术，将所获取到的结果作为基础，以此来对该系统设计的PCB进行优化。
经过实践发现，简谐振动能够通过对该方式的应用得以消除，减少了电源以及地噪所产生的声音，使系统变得更加稳定可靠，使产品能够在更短的周期内得以研发。
关键词：电动汽车，电机控制器，电源完整性，分析近几年，随着我国对电子科技领域的不断研究探索，在对硬件电子系统进行设计的过程中，应用了更多先进的技术以及配件等，加大了该系统的复杂性，由于电源和地平面之间的简谐振动所产生的噪音越来越严重，对硬件系统内的整个电磁兼容性造成了极大的影响。
在众多影响电源的因素中，最突出的就是简谐振动，如果大幅度的简谐振动产生于PCB的电源平面，就会导致电源无法正常对网络进行分配，还有可能会导致EMI辐射的产生，所以，在对PCB进行设计的过程中，需要应用仿真技术对简谐振动进行模拟，以此来更加有效的对简谐振动进行消除。
一、发展现状目前，对电动车控制器开展的探究工作，在我国得到了全面的推进，虽然对于研发和制造整车控制器方面，已经取得了初步的进展，但是仍然缺乏一定的技术，并且水平差距较大。
与国外的高端技术产品相比，我国还有许多细节方面的硬件工作有待完善，但是现阶段的技术水平，已经能够对电动汽车所提出的要求进行满足，并且具备了完善的功能。
已经在样车上进行了应用，并且我国目前可以实现小批量对其进行生产。
进口的硬件以及工具，仍然被作为控制器的基础，因此我国需要提升自身的技术水平，加强产业化的步伐。
目前所应用的软件，能够对其功能进行实现，但是仍然需要优化其对突发状况的诊断功能，安全控制等。
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本文始於2010年初，2011年開放閱覽，將說明PI不是只看Resonance、Target Impedance來下de-coupling cap.，或看IR drop而已，應先避免電源\地平面不當分割，再下電容加強改善Target Impedance，才是較好的設計方式。
另外還以實例說明做PI模擬時，電容模型輸入正確寄生電感值的重要性，以及分地與合地設計時，近場的差異。
1.Verification of board import1.1 check stack-up1.2 check net1.3 check circuit element2.Resonant mode analysis2.1 未修改前，原分地、分power2.2 部分power plane合併(已合地)2.3 加de-coupling電容(已合地、合power)3.Target Impedance3.1 VDD3.3V for general IO3.2 RF_VDD334.Voltage Drop (IR drop)4.1 Generate sources and sinks4.2 Meshing4.3 Plotting and analyzing results4.3.1. 原分地、分電源4.3.2. 合地、合電源後5.案例分析-- DCDC noise couple5.1 模擬方法描述5.2 模擬結果5.2.1 電流分佈密度5.2.2 近場強度分佈6.問題與討論6.1 為何在數MHz低頻存在resonant頻點?6.2 Resonant 要壓到什麼程度才夠?6.3 Target Impedance要壓到什麼程度才夠?6.4 為何可以用電流密度來解釋合地後noise改善的現象?6.5 如何解釋合地後RF_VDD33的Target Impedance大幅改善的現象?7.補充資料7.1 Compare an microstrip line with different imperfect groundplanes1.Verification of board import1.1 check stack-up (確認堆疊的設定)SIwave v4.0以後的版本，stack-up setting可以存成.stk匯出或匯入。
至於堆疊如何設定可參考此1.2 check netDisplay "Nets tab" by View\Workspaces\Nets, then select somepower/ground net to highlight and check them原分地、分電源的狀況：電源-- RF_VDD33、VDD33、DVDD33VDD1.8、VDDQ=1.8V地-- GNDRF_GND合地、部分電源整合後的狀態：電源-- RF_VDD33、VDD33(VDD33與DVDD33合併)VDD1.8、VDDQ=1.8V地-- GND (所有地都合併)1.3 check circuit element (看import了哪些電容與電感about PI issue)方法一：第一次在SIwave匯入.asc後，會在"Message Window"看到總共匯入多少RLC數目方法二：在.siw中，從"Component Window"的RLC個別項目展開，查看"Local"目錄。
如果發現某些元件無法匯入，請參考此方法三：Edit \ Circuit Element Parameters2.Resonant mode analysis (plane分割的諧振狀態，IC擺放位置的諧振頻點) 2.1 未修改前，原分地、分power不論分地或合地的情況，原始檔案從1M~17MHz就有50個諧振頻點，更別說到1GHz有上千個諧振頻點了。
主因是power plane是破碎的，且沒有擺放足夠的de-coupling capacitor to suppress resonance以下8張圖雖然只看1MHz~16MHz，但產生諧振頻點的位置，已經涵蓋了各路power domain。
目前沒有看到諧振的位置，更高頻段可能還是存在諧振點，只是諧振點實在太多了，先看20MHz以下的。
挑幾個位置下de-coupling capacitor，以抑制2.13M、2.24MHz、3.51M、11.07MHz、12.8MHz、13.7MHz諧振分析至此發現，若不把電源與地適度合併，只靠加de-coupling capacitor要解諧振問題，幾乎不可能。
因為有些地方根本放不下電容，尤其在BGA正下方區域，整個連接非常破碎。
減少諧振的首要原則是，減少不必要的分地或分power，再來才是下電容。
2.2 把VDD33、DVDD3區域合併，重新跑一次諧振模擬(已合地)在下列圈起處，多放32顆0.1uF2.3 加de-coupling電容(已合地、合power)1M~1GHz之間，區域諧振頻點變少了，只剩下高頻的幾個頻點(351M、492M、543M、565M)有大區域的諧振。
在下列圈起處，再多放16顆1nF，則520MHz以下諧振頻點都受到控制了。
至此，已經多加了48顆電容，老闆要砍人了@@3.Target Impedance做PI模擬時，請善用(必須用)Edit \ Pin Group (by SIwave v3.5)功能Tools \ Pin Group Manager (by SIwave v4.0)與Circuit Elements \ Generate on Components (by SIwave v4.0)3.1 VDD3.3V for general IO若地與power都分割，且沒有增加de-coupling電容的最初情況：Target Impedance 在2.5GHz以上會超過10歐姆(紅線)若地合併，VDD33與DVDD3也合併，且增加de-coupling電容的最後情況：Target Impedance維持10歐姆以內(綠線)即使多加了48個電容，對Target Impedance改善很少；試著de-active新加的48顆小電容，發現綠線的PI改善主要是因為合地，而不是下了電容的關係。
但真的多下了48顆電容對PI的貢獻這麼微不足道嗎?? 也不是這樣，上圖的模擬結果是有問題的，因為所套用的0.1uF電容是理想電容，沒有考慮實際電容在高頻的寄生電感與ESR。
原先PCB上匯入的電容，其寄生電感與ESR都默認為理想值0。
下圖則是把所有的by-pass電容，都重新輸入寄生電感值0.4nH (4E-10)、ESR=0.1 Ohm，再跑一次模擬。
下圖的趨勢，才是比較合理的如果模擬時考慮了de-coupling電容的非理想效應，就可以看出合地與多加電容，對於target impedance都有幫助。
參閱電容非理想特性3.2 RF_VDD33若地分割，且沒有增加de-coupling電容的最初情況：Target Impedance在600MHz 以上會超過10歐姆，最高超過100歐姆(紅線)若地合併，且增加de-coupling電容的最後情況：Target Impedance維持20歐姆以內(綠線)4.Voltage Drop (IR drop)希望藉由SIwave所提供的IR drop分析功能，能找出sec. 3.3分地後，Target Impedance特別差的原因4.1 Generate sources and sinks選定Source IC：Edit \ Select \ Single Object，然後選定主IC。
下圖被選定的BGA主IC整個以黃色亮框顯示，且左下角有幾個綠色ball是彼此有細線相連的，即是sec. 3.3中做過pin group的結果。
綠色是指RF_GND，紅色是指RF_VDD33在sec. 3.3是做Target Impedance分析，所以"Generate Ports"時，是選擇建立"Port"。
請先把之前建立的port砍掉。
以同樣的servo power pin group與servo ground pin group，重新建一個"Circuit Element Type"是"Current Source"的物件按"Create"後，就可以在最右邊的"Circuit Elements"欄位內，看到新建的Current Source，然後按"OK"Locate VRM：在板子上RF_VDD的最源頭，放一個3.3V Voltage Source。
Circuit Element \ Voltage Source4.2 MeshingSimulation \ Compute DC Current/Voltage-- "Perform Adaptive Mesh Refinement"一定要記得核選，Mesh R efinement 取1~3可以減少mesh time，一般選3 ~ 8-10-- "Mesh Vias"不選可以跑的比較快，但準度會差一點。
-- Voltage Source (VRM)的negative terminal，記得要設"Negative"4.3 Plotting and analyzing results雖然在前一個設定步驟已經核選"Plot Current Density and voltage Distribution"，理論上按OK開始進行DC Current/Voltage模擬完，會自動跳出模擬結果；但如果沒看到模擬結果，可以從Results \ DC IR Drop \ .. \ Currents/Voltage打開4.3.1 原分地、分電源4.3.1.1 Layer-2 current flow (GND layer)因為一開始沒有選"Mesh Vias"，所以"All Vias"這一項也沒有東西。
J、V、P都核選時，是不會出現單位，但若只選一種(J)，就可以看到單位4.3.1.2 Layer-3 current flow (Power layer)看到這張圖到處都是紅色不用緊張，這是因為這一層是power layer，所有3.3V power domain，因為IR drop差異不大，大家電壓都差不多，所以會看到紅色。