电源完整性设计
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。
电源完整性设计
电源完整性设计一、电源完整性定义电源完整性是指电源波形的质量，研究的是电源分配网络(PDN)，并从系统供电网络综合考虑，消除或者减弱噪声对电源的影响。
电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在运行的范围内，为芯片提供干净稳定的电压，并使它能够维持在一个很小的容差范围内(通常为5%以内)，实时响应负载对电流的快速变化，并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。
在高度集成的电子产品中，电源系统的设计占到了设计工作量的50%左右；对于复杂的FPGA类型的产品应用，在电路中常常会达到15～30路不同的电源。
电源完整性的目的就是给系统提供持续、稳定、干净的电源，保证系统稳定的工作。
在数字系统中，使信号完整性满足系统设计的要求也需要有一个非常稳定的电源系统，但是又不能使电源系统超标。
所以在设计电源完整性时，不仅仅关注的是去耦电容，还需要关注电源完整性、信号完整性和电磁兼容性这个“生态系统”，尤其是要考虑高度集成化的数字电路对电源完整性的影响。
二、电源完整性概览电源完整性的层面：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。
电源噪声来源1.稳压芯片输出的电压不是恒定的，会有一定的纹波。
2.稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。
稳压电源响应的频率一般在200Khz 以内，能做正确的响应，超过了这个频率则在电源的输出短引脚处出现电压跌落。
3.负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗产生的压降。
4.外部的干扰。
三、电源完整性相关参数讲解1.SI和PI传统分析信号完整性和电源完整性都是分开分析的，为了更好的分析SI和PI的相互影响，我们需要把SI和PI放在同一个EM仿真中来分析。
电源完整性设计指导
电源、地平面的功能与设计原理............................................................................................. 20 2.1 电地平面的阻抗与滤波功能.....................................................................................21 2.1.1 电地平面地目标阻抗......................................................................................... 21 2.1.2 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 目标阻抗的获得..................................................................................................21 电地平面的信号参考功能......................................................................................... 26 电地平面的 EMI 抑制 ................................................................................................ 28 PCB 叠层的处理：.............................................................................................28 PCB 分割、布局、布线和电源平面分配问题 ...............................................28 地平面地划分和处理......................................................................................... 29 地电平面谐振地处理......................................................................................... 30 电源滤波的处理..................................................................................................31 其他与 EMI 密切相关的问题 ........................................................................... 31
《信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计》
信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计1简介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性能时，如指定不同的收发参考端口，则对信号还原程度会用不同的指标来描述。
通常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，此时对信号还原程度主要依靠上升/下降及保持时间等指标来进行描述。
而如果指定的参考收发端口是在信道编码器输入端及解码器输出端时，对信号还原程度的描述将会依靠误码率来描述。
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，对于同一系统中同一个器件的正常工作条件而言，如果指定的端口不同，其工作电源要求也不同（在随后的例子中将会直观地看到这一点）。
通常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，此时该芯片的产品手册应给出该端口处的相应指标，常用纹波大小或者电压最大偏离范围来表征。
图一是一个典型背板信号传输的系统示意图。
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。
从设计目的而言，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。
图1 背板信号传输的系统示意图在本文的以下内容中，将会看到由于这些支撑与互联结构对电信号的传输呈现出一定的频率选择性衰减，从而会使设计者产生对信号完整性及电源完整性的担忧。
而不同传输协议及不同数据内容的表达方式对相同传输环境具备不同适应能力，使得设计者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。
为描述方便起见以下用“完整性设计与分析”来指代“信号完整性与电源完整性设计与分析”。
2 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。
Cadence-PDN电源完整性分析
Cadence-PDN电源完整性分析Cadence PDN电源平面完整性分析——孙海峰随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。
电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。
板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。
PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。
Cadence PCB PDN analysis电源平面分析主要可以解决以下几个问题：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。
板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。
板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及EMI的致命影响等。
那么Cadence PCB PDN analysis如何对PCB进行电源平面完整性的分析？接下来，我将以一个3v3如下图所示的电源平面为例，来进行该平面的电源平面分析。
对图中3v3电源平面进行完整性分析，具体步骤将作详细解析。
在对该电源平面进行分析之前，我们需要首先确定PCB参数的精确，如：电源平面电平Identify DC Nets、PCB叠层参数Cross-Section等，这些参数都必须和PCB板厂沟通（板厂对叠层参数生产能力不同），在此基础上精确参数方能得到精确的分析结果。
这些参数也可以在PDN Analysis分析界面上点击Identify DC Nets，Cross-Section来调整优化。
1. 认识PCB PDN analysis分析界面调用Allegro PCB PDN Option或者Allegro SI-GXL的license 打开PCB设计分析界面，然后在该界面中执行Analyze/PDN Analysis 命令即可打开PDN分析界面。
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。
板级电源完整性设计与分析
影响旁路电容器工作性能因素
等效串联电阻（ESR）：电容器电极是由电导率有限的导体组成， 所以电容器存在与其本身有关的阻抗成为等效电阻。 等效串联电感（ESL）：时变电流流过电容器产生磁场所引起的 电感成为电容器的等效串联电感。 ESL与电容器电容之间的相互作用产生谐振。当频率低于谐振频 率时电容器表现为容性，而当频率高于谐振频率时则表现为感性。 谐振频率公式：f=1/（2π LC ）
电路板级电源完整性设计
电源配送中的问题
供电电源（电压和电流的源端）通常体积很大，不能直接接到IC的Vdd 和Gnd端。因此，不得不用具有电阻和电感的连线互联到一起。流过这些导 线的电流在IC的Vdd和Gnd端 引发了包括直流压降和时变电压波动等问题， 这对IC内部晶体管电路都是有害的。所以，必须在供电电源和IC之间建立一 个合适的电源配送网络（PDN），及时调节供电电压，使得在要求的时间区间 内能够为IC提供足够的电流。IC端电源的电压波动成为电源噪声，IC工作过 程中内部晶体管处于开关工作模式，将会导致这种噪声，所以也叫开关噪声。 该噪声将会导致以下问题： IC端电压的降低将减慢或阻止内部晶体管状态切换； IC端电压的升高将引发可靠性问题； 导致时序电路波形失真；
Z频率曲线
处理器PDN目标阻抗发展趋势
电路板级电源完整性设计
PDN的设计 阻抗和噪声电压
如下图供电电压为2V，要满足5%容限、10A平均电流，则目标阻 抗为10mΩ 。电源到电容器的分布电阻和电感分别为3mΩ 和320pH。当 电流从电源流到电容器（通过互联）对电容器充电时，分布电阻和分 布电感导致阻性和感性压降。电容器参数为：等效串联电阻（ESR） =10mΩ ,等效串联电感（ESL）=1nH，C=100UF,其谐振频率 f=1/（2π LC ）=0.5MHZ
高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析
高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析1.引言随着电子设备的不断发展，电源分配网络的设计和电源完整性分析变得越来越重要。
在高速电路中，如何设计合理的电源分配网络，以保证信号传输的可靠性和性能稳定性成为了工程师们关注的焦点。
本文将介绍高速电路电源分配网络设计的基本原则，并对电源完整性进行深入分析。
2.电源分配网络设计原则2.1 直流电源设计直流电源是高速电路中不可或缺的一部分，其设计应考虑到各种电压通道的需求。
在布局设计上，应尽量缩短电源线的长度，减小线路的阻抗。
对于不同的电源通道，应避免线路交叉和共用问题，以减少噪声的干扰。
2.2 平面分布设计平面分布设计是电源分配网络中常用的方式之一。
该设计通过将不同功能模块的电源线放置在不同的平面上，可以降低信号之间的互相干扰。
在平面分布设计中，还应尽量减少电源和地线的共享，以避免信号回路的产生。
2.3 良好的接地设计接地设计在电源分配网络中起着至关重要的作用。
良好的接地设计可以减小信号传输过程中的回路干扰，并提供稳定的电源供电。
在接地设计中，应采用低电阻接地的方法，确保接地的可靠性和稳定性。
3.电源完整性分析3.1 电源噪声在高速电路中，电源噪声是一个不可忽视的问题。
电源噪声可以通过电源分配网络的设计来减小。
在电源分配网络中，应采取有效的滤波措施，尽量降低电源的噪声水平。
对于高频噪声，可以采用电容滤波器进行滤波处理。
3.2 电源电压稳定性电源电压的稳定性对高速电路的性能稳定性具有重要影响。
在电源分配网络设计中，应特别关注电源线的阻抗匹配，以确保电源电压的稳定性。
此外，还应根据电路的功耗和供电需求，选择合适的电源线和供电元件。
3.3 地线回流问题地线回流是高速电路中常见的问题之一。
当信号通过地线回流时，可能会产生地线回路干扰，并引起信号传输的失真。
在电源分配网络设计中，应尽量避免大电流通过地线进行回流，减小地线回路干扰的风险。
电源完整性设计
电容对于交流信号呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上就是 降低了电源系统的交流阻抗。 瞬态电流的剧变也要使得电压变化很小，这就要求阻抗足够低。 事实上，电源分配系统设计的原则便是使阻抗最小。
从储能的角度来理解电源退耦，非常直观易懂，但是对电路设计 帮助不大。从阻抗的角度理解电容退耦，能让我们的设计有章可 循。
从电源系统的角度进行去耦设计
不同容值的电容并联
反谐振
A.不同容值的电容并联，其阻抗特性曲线的底部要比相同容值并联阻 抗曲线的底部平坦，因而能更有效地在很宽的频率范围内减小阻抗。 B.在反谐振频率点处会产生EMI问题，合理的选择电容，尽可能的压低 反谐振点处的阻抗。
从电源系统的角度进行去耦设计
合理选择电容组合
相同容值的电容并联
使用很多电容并联能有效地减小阻抗。63 个0.0316uF的小电容（每个 电容ESL为1nH）并联的效果相当于一个具有0.159nH ESL 的1.9908uF 的电容。
从电源系统的角度进行去耦设计
单个电容
并联电容
单个电容及并联电容的阻抗特性如图所示。并联后仍有相同的 谐振频率，但是并联电容在每一个频率点上的阻抗都小于单个 电容。要在很宽的频率范围内满足目标阻抗要求，需要并联大 量的同值电容。
从电源系统的角度进行去耦设计
电容的去耦半径
理解去耦半径可以通过考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系感知源自压波动电源平面的电 压波动
去耦电容
放电补偿
去耦电容感知电压波动和放电到波动区域，都有时间延迟，因而便有相位 上的不一致。特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好， 我们以这个频率来衡量这种相位关系。 补偿电流： 。自谐振频率为f，对应波长为λ，A是电流幅度， R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。 R=λ/4时，电流和噪声源完全反相，补偿能量无法到达，去耦作用消失。 R=0时，全补偿。 要求R远小于λ/4，经验数据是λ/40~ λ/50.
电源完整性，不仅仅是去耦电容那么简单
电源完整性，不仅仅是去耦电容那么简单整理自《电源完整性生态系统----不仅仅是去耦电容那么简单》作者：蒋修国以及硬十文章电源完整性——理解与设计在高度集成的电子产品中，电源系统的设计占到了设计工作量的50%左右;对于复杂的FPGA类型的产品应用，在电路中常常会达到15～30路不同的电源。
电源完整性的目的就是给系统提供持续、稳定、干净的电源，保证系统稳定的工作。
在数字系统中，使信号完整性满足系统设计的要求也需要有一个非常稳定的电源系统，但是又不能使电源系统超标。
所以在设计电源完整性时，不仅仅关注的是去耦电容，还需要关注电源完整性、信号完整性和电磁兼容性这个“生态系统”，尤其是要考虑高度集成化的数字电路对电源完整性的影响… …但是传统分析信号完整性和电源完整性都是分开分析的，为了更好的分析SI和PI的相互影响，我们需要把SI和PI放在同一个EM仿真中来分析。
PDN真实的PDN是什么样子的呢？主要分为三个部分：供电端（VRM）、用电端（Sink）和传输通道（PCB、Cable、瓷片电容等等）。
电路板设计中，都有电源分配网络系统。
电源分配网络系统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。
我们看到电源、GND网络，其实分布着阻抗。
电源噪声余量计算：1、芯片的datasheet会给一个规范值，通常是5%；要考虑到稳压芯片直流输出误差，一般是+/_2.5%，因此电源噪声峰值幅度不超过+/_2.5%。
2、如芯片的工作电压范围是3.13~3.47，稳压芯片标出输出电压是3.3V，安装在电路板后的输出电压是3.36V。
容许的电压的变化范围是3.47-3.36=110mv。
稳压芯片输出精度是+/_1%，及3.36* +/_1%=+/_33.6mv。
电源噪声余量为110-33.6=76.4mv。
计算电源噪声要注意五点（1）稳压芯片的输出的精确值是多少。
（2）工作环境的是否是稳压芯片所推荐的环境。
电源完整性设计：需要多大的电容量
电源完整性设计-需要多大的电容量 需要多大的电容量 有两种方法确定所需的电容量。
第一种方法利用电源驱动的负载计算电容量。
这种方法 没有考虑 ESL 及 ESR 的影响，因此很不精确，但是对理解电容量的选择有好处。
第二种方 法就是利用目标阻抗（Target Impedance ）来计算总电容量，这是业界通用的方法，得到了 广泛验证。
你可以先用这种方法来计算，然后做局部微调，能达到很好的效果，如何进行局 部微调，是一个更高级的话题。
下面分别介绍两种方法。
方法一：利用电源驱动的负载计算电容量 设负载（容性）为 30pF，要在 2ns 内从 0V 驱动到 3.3V，瞬态电流为：（公式 5） 如果共有 36 个这样的负载需要驱动，则瞬态电流为：36*49.5mA=1.782A 。
假设容许电压波 动为：3.3*2.5%=82.5 mV，所需电容量为 C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825V=43.2nF 说明：所加的电容实际上作为抑制电压波纹的储能元件，该电容必须在 2ns 内为负载提供 1.782A 的电流， 同时电压下降不能超过 82.5 mV， 因此电容值应根据 82.5 mV 来计算。
记住： 电容放电给负载提供电流，其本身电压也会下降，但是电压下降的量不能超过 82.5 mV（容 许的电压波纹） 。
这种计算没什么实际意义，之所以放在这里说一下，是为了让大家对去耦 原理认识更深。
方法二：利用目标阻抗计算电容量（设计思想很严谨，要吃透） 为了清楚的说明电容量的计算方法，我们用一个例子。
要去耦的电源为 1.2V，容许电 压波动为 2.5%，最大瞬态电流 600mA， 第一步：计算目标阻抗第二步：确定稳压电源频率响应范围。
和具体使用的电源片子有关，通常在 DC 到几百 kHz 之间。
这里设为 DC 到 100kHz 。
在 100kHz 以下时，电源芯片能很好的对瞬态电流做出反应，高于 100kHz 时，表现为很高 的阻抗，如果没有外加电容，电源波动将超过允许的 2.5%。
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。
电源完整性设计
电源完整性设计电路抽象的层次•逻辑层（Logic Level）：功能、行为描述，如：HDL等。
•电路层（Circuit Level）: 求解V/I 方程, 基于接点, 使用spice 集中或分布等效电路，如：原理图、spice网表等。
•电磁层（EM Level）: 求解Maxwell方程, 基于物理结构，解决隐含原理图问题，如2D、2.5D、3D 场分析.隐含原理图的负面影响•电路的信躁比（SNR）•电路的不确定性(timing & amplitude uncertainty)•EMI/EMC/ESD常见工程问题•复杂数模混合PCB的电源、地分割与连接。
•噪声耦合的路径分析。
•去耦电容的选择与放置。
•过孔的设计与放置。
•电源平面的滤波。
•通道与通道之间的干扰与不匹配。
•BER, EMC/EMI/ESD等可靠性指标问题。
融合电路与电磁场分析•电路分析与电磁场分析都不能单独解决问题。
•融合电路与电磁场：a) EM simulation with circuit elements like simple sources, passive devices, and even real active device models. b)Circuit simulation with EM element models like s-parameter black box. 电路与电磁场在PCB中的互动PCB的电磁场分析法•2.5D FEM自适应网格剖分。
•适用前提: PCB平面间距小于波长。
电路的SPICE分析法•Spice: HSPICE, Maxwell Spice,PSPICE,HSIM,etc.•Spice elements:R,L,K,C,MOS,V,I,W,U,T,G,S,etc.•Spice analysis: DC,AC,TRAN,FFT,NET •Spice lib: SUBCKT, MACRO,.inc,.libS、Z参数基本概念PCB电磁场分析方法•PCB 谐振分析•PCB 交流激励源分析•PCB 网络参数分析（S、Z参数）•全波SPICE等效电路分析电源分配系统(PDS) 滤波电容特性CL SRF ⋅=π21电源平面的阻抗芯片内核电源模型辐射差模EMI差模近、远场EMI差模远场频率特性时钟的频谱差模远场EMI的频谱共模EMI辐射共模近、远场EMI共模远场EMI的频谱有参考平面的共模辐射减小电流回路铁氧体扼流。
电源完整性设计案例分享
电源完整性设计案例分享主要内容2• 电源完整性设计中的问题与挑战– 电源完整性的定义 – 电源完整性遇到的问题– 电源完整性设计中的挑战• 电源完整性问题分类– 压降和噪声• PI问题分析– IR-Drop分析• DC压降分析 • 反馈点选取 • 过孔电流密度 • 铜皮载流量(计算)– PDN阻抗分析• 平面谐振分析 • PDN阻抗分析 • 电容的使用 • SSN问题• 总结什么电源完整性3• 什么是电源完整性？– 将电流从电源有效的输送到负载，满足电压输入波动要求。
– 为系统所有的信号线提供完整的回流。
• 电源完整性要求– 电压不随负载电流变动过大，保持在指定范围内 – 负载端看到的阻抗要足够小vRippleVot 输入电压并非理想的(Power Distribution System) PDSPower + Vs -VrippleLoad VLPI分析等效模型电源完整性问题4• 电源完整性的影响– 电源通路压降过大，负载端欠压无法正常启动 – 电源无法及时响应负载电流需求，负载无法正常工作 – 电源平面或者地平面噪声过大，造成内部逻辑错误 – 铜皮或者过孔载流量不够，局部发热量过大 – 局部负载去耦不够，影响其它模块工作 – 平面阻抗过大，信号无法回流，造成信号质量问题v Vot Vo局部去耦不足，导致器件内部逻辑翻转错误 载流不足，局部发热过量，烧毁板子电源完整性问题5• PI问题同样会导致SI和EMI问题– 电源瞬态供电不足，会造成信号输出波动，减少信号余量，严重时造成SI问题 – 电源噪声在走线上以共模的形式传输，会造成严重EMI辐射。
– PI/SI/EMI遵循的是同一种电学定律，所以之间必然有联系和转换。
VddPDS + CL-电源传输信号传输电源噪声叠加到信号进行传输电源噪声导致共模电流增加EMI电源完整性带来的挑战• IC 工艺的发展给PI带来的挑战– 需求电压越来越低(<1.0V) – 电流需求量越来越大(>150A) – 核心频率增加 – 电源波动要求增加 – 发热问题• PCB布线的限制– 板子工作速度逐年提升 – 电流需求不断增大 – 板子密度增大，尺寸变小 – 去耦电容摆放空间不足 – 铜皮载流宽度受过孔走先限制 – 成本控制61.35V90nm1.15V 1.0V200A 150A65nm100A45nm 32nm0.65V 0.55V30A 60A80A28nm 20nm2004 2007 2010 2012 20133.125G 6.25G 8G 10G 14G 28G IO速度IC工艺尺寸不断减小，集成度不断提 高，IO带宽的不断提升，PI设计越来 越严峻。
第四讲——电源完整性及相关设计
电源完整性及相关设计融合电路与电磁场主要指数模混合设计和EMI/EMC设计。
SI、PI、timing之间是互相影响的。
电路抽象的层次逻辑层（Logic Level）：功能、行为描述，如：HDL等。
电路层（Circuit Level）: 求解V/I 方程,基于接点, 使用spice 集中或分布等效电路，如：原理图、spice网表等。
电磁层（EM Level）: 求解Maxwell方程,基于物理结构，解决隐含原理图问题，如2D、2.5D、3D 场分析.可以将电路设计抽象为下面几个层次：1.逻辑层（Logic Level）：功能、行为描述，比如HDL方式，设计FPGA。
2.电路层（Circuit Level）：求解V/I 方程，基于节点, 使用spice 集中或分布等效电路，方式有原理图、spice网表等。
关心信号的模拟特性。
3. 电磁层（EM Level）：求解Maxwell方程，基于物理结构，解决隐含原理图问题，关注器件位置的远近，平面分割，信号回路，滤波电容的特性等。
方式有2D（如传输线分析）、2.5D（如FEM分析）、3D场分析（典型软件是ANSOFT公司的HFSS）。
关心电磁波在PCB中的传播。
分析问题时将电路层和电磁场层结合起来，可以解决大部分问题。
隐含原理图的负面影响电路的信躁比（SNR）电路的不确定性(timing & amplitudeuncertainty)EMI/EMC/ESD需要多考虑一些隐含的东西，如滤波等。
常见工程问题复杂数模混合PCB的电源、地分割与连接。
噪声耦合的路径分析。
去耦电容的选择与放置。
过孔的设计与放置。
电源平面的滤波。
通道与通道之间的干扰与不匹配。
BER, EMC/EMI/ESD等可靠性指标问题。
常见的工程问题主要有：1.复杂数模混合PCB的电源、地分割与连接。
2.噪声耦合的路径分析。
电子元器件通过电磁场相互影响，可能是信号线，也可能是平面会藕合噪声。
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。
电源完整性设计
电源完整性设计在设计中，普通我们很关怀信号的质量问题，但有时我们往往局限在信号线上举行讨论，而把电源和地当成抱负的状况来处理，虽然这样做能使问题简化，但在高速设计中，这种简化已经是行不通的了。
尽管电路设计比较挺直的结果是从信号完整性上表现出来的，但我们绝不能因此忽视了电源完整性设计。
由于电源完整性挺直影响终于板的信号完整性。
电源完整性和信号完整性二者是疏远关联的，而且无数状况下，影响信号畸变的主要缘由是电源系统。
例如，地反弹噪声太大、去耦的设计不合适、回路影响很严峻、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、不匀称等等。
1）电源分配系统电源完整性设计是一件非常复杂的事情，但是如何近年控制电源系统（电源和地平面）之间阻抗是设计的关键。
理论上讲，电源系统间的阻抗越低越好，阻抗越低，噪声幅度越小，损耗越小。
实际设计中我们可以通过规定最大的电压和电源变幻范围来确定我们希翼达到的目标阻抗，然后，通过调节电路中的相关因素使电源系统各部分的阻抗（与频率有关）目标阻抗去靠近。
2）地反弹当高速器件的边缘速率低于0.5ns时，来自大容量数据的数据交换速率特殊快，当它在电源层中产生足以影响信号的强波纹时，就会产生电源不稳定问题。
当通过地回路的电流变幻时，因为回路会产生一个电压，当升高沿缩短时，电流变幻率增大，地反弹电压增强。
此时，地平面(地线)已经不是抱负的零电平，而电源也不是抱负的直流电位。
当同时开关的门电路增强时，地反弹变得越发严峻。
对于128位的总线，可能有50_100个I/O线在相同的时钟沿切换。
这时，反馈到同时切换的I/O驱动器的电源和地回路的电感必需尽可能的低，否则，连到相同的地上的静止将浮现一个电压毛刷。
地反弹随处可见，如芯片、封装、或电路板上都有可能会浮现地反弹，从而导致电源完整性问题。
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基于团队协作的AC-DC电源完整性设计与分析方法
基于团队协作的AC/DC电源完整性设计与分析方法
在与用户的交流中，我们收获了许多问题与建议：如何使用压降分析或AC分析技术、如何改进PCB设计流程、如何优化去耦电容的使用等等……这些问题推动着我们不断完善电源和信号完整性的设计。
在这之中，有一个话题备受关注：我们的用户纷纷表示现有的在设计周期后期发现问题再反复与PCB或IC封装设计工程师多次沟通的方法是一大痛点。
更糟糕的是，在某些情况下，该方法导致的设计周期的不可预测性严重损害了公司的利益。
在PCB设计领域，人们日益认识到约束驱动的设计流程的重要性。
该流程旨在设计周期早期制定工作方针，并以此指导PCB设计人员的后续PCB
设计工作。
但是，这些约束主要适用于布线后的信号。
而要求信号长度匹配、或信号保持一定间距的规则，才是满足时序和信号完整性问题的关键。
想必大家都很熟悉传统的电源完整性（PI）流程，大多数工程师都遵循单点工具的方法：布线、运行分析、在指导下修改设计、重新分析并找到更多问题……如此迭代下去。
这样的做法看似正确，却总在最后交期的时刻让人陷入两难困境：要幺计划延期，要幺在明知PI问题依然存在的情况下制作样品。
同一个世界，同一种困境？。
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电源完整性设计电容的安装方法
电容的安装方法
电容的摆放
对于电容的安装，首先要提到的就是安装距离。
容值最小的电容，有最高的谐振频率，去耦半径最小，因此放在最靠近芯片的位置。
容值稍大些的可以距离稍远，最外层放置容值最大的。
但是，所有对该芯片去耦的电容都尽量靠近芯片。
下面的图14就是一个摆放位置的例子。
本例中的电容等级大致遵循10倍等级关系。
图14 电容摆放位置示例
还有一点要注意，在放置时，最好均匀分布在芯片的四周，对每一个容值等级都要这样。
通常芯片在设计的时候就考虑到了电源和地引脚的排列位置，一般都是均匀分布在芯片的四个边上的。
因此，电压扰动在芯片的四周都存在，去耦也必须对整个芯片所在区域均匀去耦。
如果把上图中的680pF电容都放在芯片的上部，由于存在去耦半径问题，那么就不能对芯片下部的电压扰动很好的去耦。
电容的安装
在安装电容时，要从焊盘拉出一小段引出线，然后通过过孔和电源平面连接，接地端也
是同样。
这样流经电容的电流回路为：电源平面->过孔->引出线->焊盘->电容->焊盘->引出线->过孔->地平面，图15直观的显示了电流的回流路径。
图15 流经电容的电流回路
放置过孔的基本原则就是让这一环路面积最小，进而使总的寄生电感最小。
图16显示了几种过孔放置方法。
图16 高频电容过孔放置方法
第一种方法从焊盘引出很长的引出线然后连接过孔，这会引入很大的寄生电感，一定要避免这样做，这时最糟糕的安装方式。
第二种方法在焊盘的两个端点紧邻焊盘打孔，比第一种方法路面积小得多，寄生电感也较小，可以接受。
第三种在焊盘侧面打孔，进一步减小了回路面积，寄生电感比第二种更小，是比较好的
方法。
第四种在焊盘两侧都打孔，和第三种方法相比，相当于电容每一端都是通过过孔的并联接入电源平面和地平面，比第三种寄生电感更小，只要空间允许，尽量用这种方法。
最后一种方法在焊盘上直接打孔，寄生电感最小，但是焊接是可能会出现问题，是否使用要看加工能力和方式。
推荐使用第三种和第四种方法。
需要强调一点：有些工程师为了节省空间，有时让多个电容使用公共过孔。
任何情况下都不要这样做。
最好想办法优化电容组合的设计，减少电容数量。
由于印制线越宽，电感越小，从焊盘到过孔的引出线尽量加宽，如果可能，尽量和焊盘宽度相同。
这样即使是0402封装的电容，你也可以使用20mil宽的引出线。
引出线和过孔安装如图17所示，注意图中的各种尺寸。
图17 推荐的高频电容过孔放置方法
对于大尺寸的电容，比如板级滤波所用的钽电容，推荐用图18中的安装方法。
图18 低频大电容过孔放置。