板级电源完整性设计与分析
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。
电源完整性理解与设计
电源完整性理解与设计一、定义：电源完整性（Powerintegrity）简称PI,是确认电源来源及目的端的电压及电流是否符合需求。
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+/-50mV）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。
1.1“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（groundbounce）。
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的解释一下。
图中开关Q的不同位置代表了输出的“0”“1”两种状态。
假定由于电路状态装换，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象输入信号本身叠加了一个与地弹噪声相同的噪声。
板级电源的完整性设计及验证方法
板级电源的完整性设计及验证方法
林少晶
【期刊名称】《广东科技》
【年(卷),期】2009(000)012
【摘要】信号完整性的分析除了纯粹的信号研究外,板级电源的设计也十分重要.PCB板级的电源设计除了能够正确给出稳定的供电电源外,芯片端的电源处理也直接决定着系统是否可以稳定、可靠地工作.本文主要针对芯片端的电源处理提出完整的设计、验证方法.
【总页数】3页(P211-213)
【作者】林少晶
【作者单位】福建水利电力职业技术学院
【正文语种】中文
【中图分类】TM7
【相关文献】
1.信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计 [J], 李荔
2.低成本板级电源的几种方案及合理设计 [J], 张晓健;秦志光
3.高速印制电路板中电源完整性的优化设计 [J], 刘学杰;高进
4.高速电路板级信号完整性设计 [J], 张松松;刘飞飞
5.信号完整性与电源完整性的仿真分析与设计 [J], 李荔
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高速电路信号完整性分析与设计九--电源完整性分析
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——Signal Integrity)和电源完整性(PI——Power Integrity )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。
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(Power Integrity) ：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（Simultaneous Switch Noise，简称SSN）：是指当器件处于开关状态，产生瞬间变化的电流（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。
电路板级可靠性设计
电路板级可靠性设计首先，单板级可靠性设计主要涉及以下几个方面：1.PCB设计：PCB布局布线时需要考虑信号的传输延迟、阻抗匹配、信号干扰等问题。
合理地规划电路板上各部件的位置，减少信号路径长度，避免信号的串扰和时钟偏移。
2.信号完整性：考虑信号电平、噪声容限、抗干扰能力等因素，选择合适的信号传输方式和阻抗匹配方式，确保信号在电路板上的可靠传输。
3.温度控制：电路板在工作时会产生一定的热量，如果温度过高，会加速电子元器件老化和损坏。
因此，设计时需要考虑散热问题，合理配置散热器件和散热结构，以确保电路板的工作温度在可接受的范围内。
4.电源稳定性：电路板的正常工作需要稳定的电源供应，对电源进行合理设计和滤波，确保电压、电流的稳定性和纹波小，避免因电源问题导致的系统故障。
其次，元器件级可靠性设计主要考虑以下几个方面：1.元器件可靠性选型：根据产品的设计要求和使用环境条件，选择具有高可靠性的元器件。
对于关键元器件，选择经过认证的品牌和供应商，以确保其质量和可靠性。
2.元器件布局：在元器件布局时，避免高功耗元器件过度集中，均匀分布在电路板上，以均衡热量和电磁辐射，提高整体的可靠性。
3.元器件寿命评估：通过对元器件的寿命特性进行评估和测试，了解元器件的寿命和可靠性，从而判断其使用寿命是否能满足产品的需求。
4.环境适应性测试：通过对元器件进行环境适应性测试，检测其在不同的温度、湿度、震动等环境条件下的可靠性和稳定性，判断其在实际使用中的可靠性。
总的来说，电路板级可靠性设计需要从单板和元器件两个层面进行综合考虑。
通过合理的PCB设计、信号完整性的保证、温度控制和电源稳定性的优化，以及元器件的可靠性选型、布局和寿命评估等策略，可以提高电路板的可靠性，确保产品的质量和可靠性，满足用户的需求。
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。
电路板级的信号完整性问题和仿真分析
电路板级的信号完整性问题和仿真分析摘要：今天随着电子技术的发展，电路板设计中的信号完整性问题已成为PCB设计者必须面对的问题。
信号完整性指的是什么？信号在电路中传输的质量。
由于电子产品向高速、微型化的发展，导致集成电路开关速度的加快，产生了信号完整性问题。
常见的问题有反弹、振铃、地弹和串扰等等。
这些问题将会对电路板设计产生怎样的影响？通过理论分析探讨，找到解决它们的一些途径。
传统的PCB设计是在样机中去测试问题，极大的降低了产品设计的效率。
使用EDA工具分析，可以将问题在计算机中进行暴露处理，降低问题的出现，提高产品的设计效率。
这里以Altium Designer 6.0工具为例，介绍分析解决部分信号完整性问题的方法。
关键词：信号完整性 Altium Designer 6.0 仿真分析[中图分类号] O59 [文献标识码] A [文章编号] 1000-7326（2012）04-0125-0320世纪初叶，科学家先后发明了真空二极管和三极管，它代表人类进入了电子技术时代。
随后半导体晶体管和集成电路的出现，将电子技术推向了一个新的时期。
特别是IC芯片的发展，使电子产品越来越趋向于小型化、高速化、数字化。
但同时却给电子设计带来一个新的问题：体积减小导致电路的布局布线密度变大，而同时信号的频率也在迅速提高，如何处理越来越快的信号。
这就是我们硬件设计中遇到的最核心问题：信号完整性。
为什么我们以前在学校学习和电子制作中没有遇到呢？那是因为在模拟电路中，采用的是单频或窄频带信号，我们关心的只是电路的信噪比，没有去考虑信号波形和波形畸变；而在数字电路中，电平跳变的信号上升时间比较长，一般为几个纳秒。
元件间的布线不会影响电路的信号，所以都没有去考虑信号完整性问题。
但是今天，随着GHz时代的到来，很多IC的开关速度都在皮秒级别，同时由于对低功耗的追求，芯片内核电压越来越低，电子系统所能容忍的噪声余量越来越小，那么电路设计中的信号完整性问题就突现出来了。
板级电源完整性设计与分析共28页
谢谢！Biblioteka 板级电源完整性设计与分析16、自己选择的路、跪着也要把它走 完。 17、一般情况下)不想三年以后的事， 只想现 在的事 。现在 有成就 ，以后 才能更 辉煌。
18、敢于向黑暗宣战的人，心里必须 充满光 明。 19、学习的关键--重复。
20、懦弱的人只会裹足不前，莽撞的 人只能 引为烧 身，只 有真正 勇敢的 人才能 所向披 靡。
61、奢侈是舒适的，否则就不是奢侈 。——CocoCha nel 62、少而好学，如日出之阳；壮而好学 ，如日 中之光 ；志而 好学， 如炳烛 之光。 ——刘 向 63、三军可夺帅也，匹夫不可夺志也。 ——孔 丘 64、人生就是学校。在那里，与其说好 的教师 是幸福 ，不如 说好的 教师是 不幸。 ——海 贝尔 65、接受挑战，就可以享受胜利的喜悦 。——杰纳勒 尔·乔治·S·巴顿
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。
多层板电源完整性分析与应用
本文由全亚文化
７）Ｓ ２１模拟（ｒｅｄ）与量测（ｂｌ ｕｅ）比较 图 １８ 测点（４，
杂志提供
图 １９
分隔面模型仿真效果
图 ２０ 分隔平面模型仿真效果对电 压扰动影响。
图 ２１ 电流源端加入电容数组后可 改善电压扰动
!"#$%& ! ’(２０)* " +,-#./01$%& ! 2 3 4 5 1 6 7 8 （１００ ｎＦ !２!
电源世界
卢俊郎 魏逊泰 唐子强 张贤鑐
多层板电源完整性分析与应用
在高速电路设计中! 为确保 高速组件正常运作! 多层板电源 层在工作频宽内必须有足够的低 平面阻抗! 使电源能及时供应组 件所需瞬间电流以维持电压稳定 " 最直接的解决方法是放置去耦合 电容来降低平面阻抗" 凭借软件 协助 ! 可快速决定摆放电容位置 # 容值与数量 ! 减少试验出错所浪 费的金钱与时间" 本文以背板为 例 ! 使用 Ａｎｓｏｆｔ＇ｓ ＳＩｗａｖｅ 电源完整 性仿真软件协助完成此产品的电 源设计 " 相邻电源层形成波导结构! 其共振模式由电源层几何尺寸与 迭层厚度和材质决定 " 以 ＩＰＣ 背板 为例 ! 其设计如图 １ 所示 ! 板框大 小 为 ８ !１０．５ 英 寸 $ ２０ !２６ｃｍ% ! 迭 层 厚 度 ３．２ｍｍ" 分 析 空 板 电 源 层
１０３．４!!
图 １０
层１ 微带线特性阻抗变化
际 制 作 一 ＰＣＢ 加 以 量 测 验 证 !
当微带线距插槽右侧接口 改为 ３ 倍 线 宽 " 即 ０．０７２ 英 寸 时 " 信 号 完 整 性 如 图 １１ 所 示 ! 当 插 槽 间 隙 １０ 倍 线 宽 信 号 上 升 时 间 由 １９３ｐｓ 加 快 为 １７５ ｐｓ" 特 性 阻 抗由１０３．４!降至１０１．５!!
理解PCB设计中的功率完整性
理解PCB设计中的功率完整性在现代电子产品的设计中，功率完整性（Power Integrity，简称PI）是一个至关重要的概念。
它涉及到电路板（Printed Circuit Board，简称PCB）上电源系统的稳定性和电信号传输的可靠性。
本文将深入探讨PCB设计中的功率完整性问题，并提供一些实用的指导。
第一部分：功率完整性的意义和重要性在电子产品中，功率完整性直接关系到系统的性能和可靠性。
一个稳定的供电系统可以使电路工作在其预期的电压和频率范围内，减少信号的失真和噪声干扰，提高数据传输的可靠性。
反之，若功率完整性受损，可能导致电子产品发生故障、性能下降甚至完全失效。
第二部分：功率完整性的设计原则1. 电源系统设计：合理设计电源系统是确保功率完整性的关键。
包括选择合适的电源模块、电源线路布局规划以及电源滤波等。
2. 信号传输路径：合理规划信号传输路径，使其尽可能短且与电源线路分离，减少信号传输过程中的功率噪声。
3. 信号接地和电源接地：良好的接地设计可以减少信号回路和电源回路之间的干扰。
PCB设计中应采用合适的接地技术，如星型接地、分离平面接地等。
4. 降低电磁干扰：电磁干扰是功率完整性的一个重要问题。
在设计过程中，应综合考虑屏蔽结构、线路走向、电源和信号线的布局等因素，降低电磁干扰的产生和传播。
第三部分：验证和优化功率完整性1. 仿真和分析工具：使用专业的电磁仿真和分析工具，如SPICE、HyperLynx等，帮助评估系统的功率完整性，并针对问题进行优化。
2. PCB布局与布线规则：合理的PCB布局和布线规则可以提高功率完整性。
如减少信号回路的长度、保证良好的电源连接、减小信号线的串扰等。
3. PCB材料选择：选择合适的PCB材料，包括介电常数、介质损耗、导电性等因素，以满足功率完整性的要求。
4. 电源滤波：添加适当的电源滤波电路，减少高频噪声并提供稳定的电源供应。
5. 热管理：合理的散热设计可以减少功率完整性问题的出现。
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。
高速电路板电源完整性问题分析及解决方案
信息通信INFORMATION & COMMUNICATIONS2020年第5期(总第209期)2020(Sum. No 209)高速电路板电源完整性问题分析及解决方案侯永彬王志成2(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司;2,中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄050081)摘要:从现阶段高速电路板(PCB)设计中遇到的电源完整性问题开始论述，包括同步开关噪声、非理想电源阻抗、谐振及边缘效应等几方面,并论述了电源完整性在高速PCB 设计中的重要性和现阶段研究先进的方法解决电源完整性问题的必要性;接着介绍了应用两款软件Power Integrity 和SIWAVE 分别解决电源完整性中的阻抗和谐振问题的方法,并给出 分别应用软件解决实际问题的案例；最后说明应用新方法解决电源完整性问题的意义。
关键词：电源完整性；电磁兼容;信号完整性中图分类号:TN41文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2020)05-0094-020引言在系统中，设备供电系统经过电源传输电路到达某一器件 时,供电电源特性与该器件的电源要求的相符程度,称为电源完 整性(PowerIntegrityPI)。
在如今分析研究信号完整性的同时， 怎样给系统提供一个稳定、可靠的供电也成为了重点研究的方向之一。
随着器件的集成度越来越高,晶体管门数越来越大，器件需要的供电的电流和功率越来越高，且供电电压越来越低,电源完整性问题越来越突出,将电源的电压和地假设为绝对稳定状态的想法已经不能被接受。
经过几十年的发展，信号完整性 分析研究的理论、实践方法比较成熟，有许多的EDA 工具可以 用来解决信号完整性问题。
相对来说，电源完整性是一门比较新的技术，它在高速印制板设计中越来越重要。
目前Cadence公司Allegro PCB 软件中的Power Integrity 模块和ansoft 公司 的SIWAVE 软件都支持电源完整性问题的分析及仿真。
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。
板级电源完整性设计与分析28页PPT
21、没有人陪你走一辈子，所以你要 适应孤 独，没 有人会 帮你一 辈子， 所以你 要奋斗 一生。 22、当眼泪流尽的时候，留下的应该 是坚强 。 23、要改变命运，首先改变自己。
24、勇气很有理由被当作人类德性之 首，因 为这种 德性保 证了所 有其余 的德性 。--温 斯顿． 丘吉尔 。 25、梯子的梯阶来不是用来搁脚的 ，它只 是让人 们的脚 放上一 段时间 ，以便 让别一 只脚能 够再往 上登。
6、最大的骄傲于最大的自卑都表示心灵的最软弱无力。——斯宾诺莎 7、自知之明是最难得的知识。——西班牙 8、勇气通往天堂，怯懦通往地狱。——塞内加 9、有时候读书是一种巧妙地避开思考的方法。——赫尔普斯 10、阅读一切好书如同和过去最杰出的人谈话。——笛卡儿
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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
到临近电路的开关噪声。
电路板级电源完整性设计
旁路或去耦电容器
PDN电路中，IC开关电路工作中，当供电电源输出阻抗超过目标阻抗时， 将不能及时作出反应时，需要有另外一个电源来供给电流以维持电压。旁路 电容器（也叫去耦电容器）承担该项功能。根据旁路电容器的工作范围和它 与晶体管电路的靠近程度，可将旁路电容器分为低频电容器、中频电容器和 高频电容器。
电路板级电源完整性设计
中频去耦电容
中频电容体积远小于体电容器，因此其紧靠IC放置。陶瓷电容体 积更小，拥有更小的ESR和ESL，电容值也更低，所以其有更高的谐 振频率，在谐振中有更小的阻抗，用于高频条件下。 典型中频电容器一般为1~100nF，ESR为10-100mΩ，ESL为 0.5~1nH。
电路板中的平面
电路板级电源完整性设计
电源配送网络
电源配送网络组成：供电电源、DC-DC变换器（又叫稳压器）、大量的去
藕电容及为开关电路冲放电提供通道的互联线。
供电电源为电路板提供大的电压和电流，电压通过板载DC-DC变换器降压 后，通过电路板电源互联线提供给IC等。去藕电容器作为电荷贮存器分布在 电路板和IC上。电荷通过去藕电容器传送给需要电荷的IC及晶体管电路。电 容与IC的临近程度决定了供应电荷所需要的时间。 半导体电路板典型的PDN电路如下图: 电容器和晶体管的临近程度决定了电容器是以高频、中频还是低频传送 电荷。远离IC电容器一般体积比较大，工作在低频状态，其容量高达几千uF, 远高于容值为nF级的高频和中频电容。
电路板级电源完整性设计
PDN的设计
电路板级电源完整性设计
PDN的组成部件
PDN的部件单元如下图所示,包括使用薄氧化物去耦电容器的芯 片级电源分配；使用平面和中频去耦电容器的封装级电源分配；以及 使用平面、低频去藕电容器和VRM的板级电源分配。途中显示了这些 组成部分所覆盖的频带范围。
电路板级电源完整性设计
电路中的片上电容为800nf。片上电容器C2与去藕电容等效串联电感之间存在 反谐振，在13MHZ附近产生大的阻抗。从仿真效果可以看出在5MHZ之前满足目 标阻抗，5MHZ到100MHZ频带范围内，阻抗已经超过了目标阻抗。所以噪声电 压超过了100mv,达到200mv。
电路板级电源完整性设计
PDN的设计
电路板级电源完整性设计
影响旁路电容器性能寄生参数
电路板级电源完整性设计
旁路电容器选用
1）选用低ESR、ESL电容器，在宽频带范围内获得低阻抗。 2）电容器焊盘通过过孔与电压或地平面连接时，尽量使焊盘和过孔 靠近（降低回路等效电感）。 3）使用多过孔连接每个焊盘，可减少总回路电感。 4）通过减少电压平面和地平面距离，可减小回路电感，从而增强电 容器在高频时提供电流的能力。 5）通过选用不同类型电容器并联使用，在宽频带范围内获得低阻抗。
电路板级电源完整性设计
高频测量
高频测量是评估去耦电容器、平面和有表贴元件的PDN有效性的一 个重要内容。频率高于自谐振频率时，电阻和电感变化的幅度和斜率 取决于电容器、焊盘、过孔及紧邻平面对尺寸。通过双端口连接，使 用矢量网络分析仪（VNA）可以很方便的测得PDN阻抗。测试原理图如 下：
电路板级电源完整性设计
ZT=（5*5%）/(50%*1) =0.5欧姆 由于根据数据手册，IC的功率和电压通常为已知，所以IC中的最大电流可以 通过P=V*Imax求出。目标阻抗ZT在频域内确定了IC电源端PDN最大阻抗上限。 低于ZT的阻抗均能够确保任何电流调变引起的电压噪声均小于5V的5%。
电路板级电源完整性设计
PDN的设计
电路板级电源完整性设计
培训讲师:郭洪飞
高级工程师
单位：空军预警学院
电路板级电源完整性设计
概述
随着系统的小型化,单个芯片（微处理器、现场可编程门阵列、存 储器以及其它专用IC等）集成更多晶体管,随着电压的降低,与此对应 的功率和电流量级将不断提高。高速的数字信号以及混合的模拟信号 在电路板上传输,能否为电路板上的晶体管电路提供一个干净的电源 将变得至关重要。
电路板级电源完整性设计
电源配送网络
电路板级电源完整性设计
电源供电中的电压跳变（即噪声）
微处理器IC工作频率很高，其内部晶体管电路可以在多个频率下开关，
所以会引起供电电源在一定频带内产生波动。例如，处理器会在1GHZ频率执 行操作指令，引起电压在该频率点波动；处理器会在400MHZ频率出向PCB上缓 存单元写数据，在1MHZ操作JTAG总线测试硬件。宽频带的电压波动，会使得 PDN设计非常困难。对于集成电路来说，流过电感的变化电流会产生压降VL, VL=L*(dI/dt)
稳压器
系统板卡的运行需要多个DC电压，随着半导体器件对供电电源功 率要求的不断提高、供电电压不断降低的发展趋势，要求AC-DC变换 器和DC-DC变换器移到更加靠近它所供电的电子器件位置（中央处理 器、DSP、大规模集成电路等内核电压，I/O电压在0.8V到2.5V的范 围），这些DC-DC变换器往往只专用一个负载，因此又称为负载点变 换器。 DC-DC变换器特点：（1）大多数供电电压都低于电路板上的初始 电源电压（AC-DC变换器或电池输出），因此这些变换器必须降压； （2）这些变换器很少需要隔离。在AC-DC供电系统中很容易实现隔离。 因此非隔离降压稳压器是这类应用中的主流电源形式。
电路板级电源效率、高开关频率器件，保证变换器占用尽可能小的面 积，且尽可能靠近负载放置，保证动态响应和降低线路损耗和干扰。 2）必须有最优化的控制回路，能够提供足够低的输出瞬时波动来防止 负载电流变化。 3）将变换器的传导性和辐射性泄漏保持在控制范围内。由于变换器多 靠近高速低摆幅的数字电路和敏感模拟电路放置，应尽可能的降低引入
电路板级电源完整性设计
体电容器选用
在噪声频率超出将稳压调整模块（VRM）的工作频率，并未进入中频电
容器的有效范围（从几千赫兹到几兆赫兹）时，体去耦电容器用于将PDN的 阻抗维持在所需值。即电路板上的电源供电端口通常需要接几百微法到几千 微法的大容量去藕电容。
中频去耦电容
中频表贴电容器使用范围是从10MHZ到100MHZ，甚至更高。这类电容器 主要是用不同介质（NPO、X7R、X5R和Y5V等）和不同尺寸（1206、0805、 0603）制成的陶瓷电容器。NPO电容器拥有极低的ESR和最好的温度特性， 但电容值只能到几纳法。X7R电容器电压和温度参数都比较理想，而且电容 值可以做到几纳法到几法。X5R电容器和X7R电容器类似，但可靠性不如 X7R。Y5V用于大电容量场合，但其电压和温度特性都比较差。
平面在高频电路中起着非常重要的作用,它表现为高频电容特性,不 仅充当传输电流导体,还支持以其为参考的信号线返回电流。一直用 于所有高频封装和电路板的电源配送和屏蔽。 电源平面和地平面传输从SMD电容器流向开关电路的电流。因此， 平面控制着从电容到IC电路的电感和延时。在频率远大于电容器谐振 频率时，平面电感对PDN的阻抗起主导作用。
电路板级电源完整性设计
稳压器选择
线性稳压器，LM7805、LM7912、LM317等；低压差稳压器： LT公司的LT1086IM、ON公司的NCP1117DT、TI公司的UCC283TADJ等； 开关集成控制器TI公司的LM3676，LM2830Q1等；ON公司的 MC34063A，LM2576等，vicor公司的COOL-POWER PI33XX-X0LGIZ
PDN分析
参考资料：Power Integrity Modeling and Designfor Semiconductor
and Systems。
谢谢！
电路板级电源完整性设计
PDN的设计
由于板卡上噪声频率是宽频，所以PDN最好在频域内设计，在时域电路中
观察PDN对开关电路的响应。
我们引入目标阻抗的概念：根据欧姆定律：PDN的目标阻抗可以通过下式 计算： ZT=（Vdd*电压波动率）/(50%*Imax) 欧姆
式中假设开关电路流出的平均电流为最大电流的50%，Vdd为电源电压。假设 电压波动率为5%，并且最大电流为1A，则目标阻抗计算为：