电源完整性设计 PPT
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等效窜联电阻也是存在的，因为制作电容的材料不是超导 体。当频率很低时， j2πfl远小于1/j2πfc，整个电容器呈 现电容性；当频率很高时， j2πfl大于1/j2πfc，整个电容 器呈现电感性；当j2πfl等于1/j2πfc，整个电容器呈现纯电 阻特性，阻抗最小，及称为谐振点。
电容安装的谐振频率
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。
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。
• 其方法是用去耦电容，那么用多大的电容能满足要求？如何确定这个 值？选择那些电容值？放多少电容？如何安放在电路板上？电容放置 距离有什么要求？
目标阻抗
• 目标阻抗是电源系统的瞬态阻抗，对快速变化的电流的表 现出来的一种特性阻抗。目标阻抗喝一定宽度的频率有关， 在感兴趣的频率范围内，电源阻抗都不能超过这个值。
• 假设一个0805封装0.01uf电容，本身ESL=0.6nH，安装后增加的寄生
电感为1.5nH；安装前的谐振频率是f=
=64.975Mhz
• 安装后的谐振频率f =
=34.73Mhz。
• 安装电感对电容特性影响很大，应尽量减小。
电源系统去耦设计
• 电源系统的去耦设计的一个原则，就是在感兴趣的频率范围内，使整 个电源分配系统的阻抗最低。
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。 • （3）负载情况是怎么样，这对稳压芯片输出也有影响。 • （4）电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声
来源不仅仅是电源噪声，反射窜扰等信号完整性问题也会 在信号上叠加，因此不能把所有噪声余量留给电源系统。 • （5）不同的电压等级对电源噪声要求也不样，电压越小 噪声余量越小。模拟电路对电源要求更高，
• 一种解释是阻抗，把负载芯片拿掉，从AB二点向左看去，稳压电源及电容可以看出一 个复合电源系统，不能AB二点负载电流如何变化，都保证AB二点电压稳定及AB二点 电压变化很小，可根据公式△V=Z *△I。
实际电容的特性
• 实际的电容存在奇生电感与等效窜联电阻。 • R=esr +1/j2πfc +j2πfl • 等效窜联电感无法消除，只要存在引线就会有寄生电感。
• （二）确定稳压电源的频率响应范围，通常和电源芯片有 关，一般是DC~100khz。在100khz以下时，电源芯片很 好的对瞬态电流做出反应，高与100khz时，表现为很高的 阻抗，若没有外加电容，电源波动将超过允许的2.5%。
• 电容被安装电路板后会增加一些额外的寄生电感参数，从而引起谐振 频率的偏离。
• 过孔的寄生电感公式L=5.08h[ln(4h/d)+1],L是过孔的寄生电感nH，h 过孔的长度，d过孔的直径；设过孔的长度63mil，直径为8mil，可得 L=5.08*0.063[ln(4*0.063/0.008)+1]wenku.baidu.com1.4242nH。
• 第二种方法就是利用目标阻抗来计算总电容量，这是业界 通用的方法，得到广范的应用。用这种方法计算电容量， 然后在局部微调，达到很好的效果。
用电源驱动负载计算电容量
• 设负载（容性）为30pf，要在2ns内从0V驱动到3.3V，瞬 态电流为I=Cdv/dt=30*(3.3/2)=49.5mA，若有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%=82.5mV，则所需电容量为 C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825v=43.2nf。
电容退耦二种解释
• 电容退耦是解决电源噪声的主要方法。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。
• 一种解释是储能，当负载发生瞬态电流变化时，电源不能即时满足负载的瞬态电流的 要求，可根据公式I=Cdv/dt，此时电容二端存在电压的变化，电容开始放电，及时提供 负载电流。
• 目标阻抗公式：
,其中vdd为要进行的
• 去耦的电源电压，ripple为允许的电压波动范围，典型值
为2.5%，△Imax为负载芯片最大瞬态电流变化量。
计算电容量
• 有二种方法确定所需的电容量。一种方法是用电源驱动负 载来计算电容量。此方法没有考虑ESR与ESL，因此不是 很精确，对理解电容量的选择有好处。
电源完整性设计
重视电源噪声问题
• （1）芯片的集成度越来越大，芯片内部晶体管数量也越 来越大；晶体管组成内部的门电路 组合逻辑 延迟线 状态 机及其它逻辑。
• （2）芯片外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的电 源节点，当晶体管状态转换时必然引起电源噪声在芯片内 部传递。
• （3）内部晶体管工作需要内核时钟或是外部时钟同步， 但是由于内部延迟及各个晶体管不可能严格同步，造成部 分晶体管完成状态转换，另一部分可能处于转换状态，这 样一来处于高电平门电路的电源噪声会传到其它门电路的 输入部分。
• 所加的电容实际上为抑制电压纹波的储能元件，该电容必 须在2ns内为负载提供1.782A的电流，同时电压下降也不 能超过82.5mV。
目标阻抗计算电容量
• 为了清楚说明电容量的计算方法，用一个例子来说明。要 去耦的电压为1.2V，容许电压波动为2.5%，最大瞬态电 流为600mA。
• （一）计算目标阻抗：
电容安装的谐振频率
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。
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。
• 其方法是用去耦电容，那么用多大的电容能满足要求？如何确定这个 值？选择那些电容值？放多少电容？如何安放在电路板上？电容放置 距离有什么要求？
目标阻抗
• 目标阻抗是电源系统的瞬态阻抗，对快速变化的电流的表 现出来的一种特性阻抗。目标阻抗喝一定宽度的频率有关， 在感兴趣的频率范围内，电源阻抗都不能超过这个值。
• 假设一个0805封装0.01uf电容，本身ESL=0.6nH，安装后增加的寄生
电感为1.5nH；安装前的谐振频率是f=
=64.975Mhz
• 安装后的谐振频率f =
=34.73Mhz。
• 安装电感对电容特性影响很大，应尽量减小。
电源系统去耦设计
• 电源系统的去耦设计的一个原则，就是在感兴趣的频率范围内，使整 个电源分配系统的阻抗最低。
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。 • （3）负载情况是怎么样，这对稳压芯片输出也有影响。 • （4）电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声
来源不仅仅是电源噪声，反射窜扰等信号完整性问题也会 在信号上叠加，因此不能把所有噪声余量留给电源系统。 • （5）不同的电压等级对电源噪声要求也不样，电压越小 噪声余量越小。模拟电路对电源要求更高，
• 一种解释是阻抗，把负载芯片拿掉，从AB二点向左看去，稳压电源及电容可以看出一 个复合电源系统，不能AB二点负载电流如何变化，都保证AB二点电压稳定及AB二点 电压变化很小，可根据公式△V=Z *△I。
实际电容的特性
• 实际的电容存在奇生电感与等效窜联电阻。 • R=esr +1/j2πfc +j2πfl • 等效窜联电感无法消除，只要存在引线就会有寄生电感。
• （二）确定稳压电源的频率响应范围，通常和电源芯片有 关，一般是DC~100khz。在100khz以下时，电源芯片很 好的对瞬态电流做出反应，高与100khz时，表现为很高的 阻抗，若没有外加电容，电源波动将超过允许的2.5%。
• 电容被安装电路板后会增加一些额外的寄生电感参数，从而引起谐振 频率的偏离。
• 过孔的寄生电感公式L=5.08h[ln(4h/d)+1],L是过孔的寄生电感nH，h 过孔的长度，d过孔的直径；设过孔的长度63mil，直径为8mil，可得 L=5.08*0.063[ln(4*0.063/0.008)+1]wenku.baidu.com1.4242nH。
• 第二种方法就是利用目标阻抗来计算总电容量，这是业界 通用的方法，得到广范的应用。用这种方法计算电容量， 然后在局部微调，达到很好的效果。
用电源驱动负载计算电容量
• 设负载（容性）为30pf，要在2ns内从0V驱动到3.3V，瞬 态电流为I=Cdv/dt=30*(3.3/2)=49.5mA，若有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%=82.5mV，则所需电容量为 C=I*dt/dv=1.782A*2ns/0.0825v=43.2nf。
电容退耦二种解释
• 电容退耦是解决电源噪声的主要方法。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。
• 一种解释是储能，当负载发生瞬态电流变化时，电源不能即时满足负载的瞬态电流的 要求，可根据公式I=Cdv/dt，此时电容二端存在电压的变化，电容开始放电，及时提供 负载电流。
• 目标阻抗公式：
,其中vdd为要进行的
• 去耦的电源电压，ripple为允许的电压波动范围，典型值
为2.5%，△Imax为负载芯片最大瞬态电流变化量。
计算电容量
• 有二种方法确定所需的电容量。一种方法是用电源驱动负 载来计算电容量。此方法没有考虑ESR与ESL，因此不是 很精确，对理解电容量的选择有好处。
电源完整性设计
重视电源噪声问题
• （1）芯片的集成度越来越大，芯片内部晶体管数量也越 来越大；晶体管组成内部的门电路 组合逻辑 延迟线 状态 机及其它逻辑。
• （2）芯片外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的电 源节点，当晶体管状态转换时必然引起电源噪声在芯片内 部传递。
• （3）内部晶体管工作需要内核时钟或是外部时钟同步， 但是由于内部延迟及各个晶体管不可能严格同步，造成部 分晶体管完成状态转换，另一部分可能处于转换状态，这 样一来处于高电平门电路的电源噪声会传到其它门电路的 输入部分。
• 所加的电容实际上为抑制电压纹波的储能元件，该电容必 须在2ns内为负载提供1.782A的电流，同时电压下降也不 能超过82.5mV。
目标阻抗计算电容量
• 为了清楚说明电容量的计算方法，用一个例子来说明。要 去耦的电压为1.2V，容许电压波动为2.5%，最大瞬态电 流为600mA。
• （一）计算目标阻抗：