电源完整性分析-郝晓飞
PI
电源完整性（Power Integrity ，简称PI ）：当大量芯片内的电路输出级同时动作时，会产生较大的瞬态电流，这时由于供电线路上的电阻电感的影响，电源线上和地线上电压就会波动和变化 ，良好的电源分配网络设计是电源完整性的保证。
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。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。
正常情况下，电压波动范围不超过+/-5%。例如，一个10v 的电源，允许的波动范围为5%，最大瞬间电流为1A,那么最大电源阻抗为：
Ω=?=?=
0.51A
5%V 5)()(arg ）
（）（最大电流允许的波动范围正常电源电压et r Z
然而，目前电路设计的趋势是电压变小，瞬时电流变大，从上面的公式可以看到，最大的电源阻抗呈现下降的趋势，这就更加要求我们在电源完整性设计的过程中减小电源阻抗。
在设计电源阻抗的时候，我们不仅要计算直流阻抗（电阻），还要考虑高频下的交流阻抗（主要是电感）。一般在时钟的上升和下降沿，电源系统会产生瞬间的电流变化，用如下公式来表达受阻抗影响的电源电压波动：
dt
di L R i V drop ?
+?= 通过观察公式，我们在设计过程中可以考虑通过如下措施达到降低电源的电阻和电感：
① 使用电阻率低的材料，比如铜；
② 用较厚、较粗的电源线，并尽可能减少长度； ③ 降低接触电阻； ④ 减小电源内阻； ⑤ 电源尽量靠近GND ； ⑥
合理使用去耦电容。
电源完整性设计：
1、使用电源平面代替电源线，降低供电线路上的电感和电阻；
2、电源平面和地平面相邻，电源和地紧密耦合；
3、放置旁路电容，1μF~10μF 电容放置在电路板的电源输入上，而0.01μF ~0.1μF 电容则放置在电路板的每个有源器件的电源引脚和接地引脚上；
4、保证大电流器件电源的回流路径畅通无阻。
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1、输出纹波噪声的测量及输出电路的处理 PWM 开关电源的输出的纹波噪声与开产频率有关。其纹波噪声分为两大部分：纹波（包括开关频率的纹波和周期及随机性漂移）和噪声（开关过程中产生）。 周期及随机性漂移 在纹波与噪声的测量过程中，如果不使用正确的测量方法将无法正确地测量出真出的输出纹波噪声。下面是推荐的测量方法： 平行线测量法:输出管脚接平行线后接电容,在电容两端使用20MHz C 为瓷片电容，负载与模块之间的距离在51mm 和76mm(2in.和3in)之间。 在大多数电路中, 2、多路输出的交互调节及其应用 交互调节的优点。图中lo1路负载电流、Vo2为辅助路输出电压。由图可见，20% 100% Io2 在主路负载从20%～100%变化时，辅助路输出电压随 辅助路负载电流的变化曲线中，辅助路输出电压始终在±4%范围之内。即使在最坏的情况，即主路空载、辅助路江载，主路满载、辅助路空载时其输出电压也能保证在标称电压的±10%范围之内。由此，对于输出稳压精度要求不太高的情况下，这种不稳压的辅助输出不仅能够满足供电的条件，而且相对成本低、器件少、可靠性高。建议用户首先考虑不稳压的辅助输出的电源模块。 开关电源基础知识简介
3、容性负载能力与电源输出保护 建议用户对电源模块的阻性负载取大于10%额定负载，这样模块工作比较稳定。 电容作为电源去耦及抗干扰的手段，在现代电子线路中必不可少，本公司的电源模块考虑此因素，都有相当的容性负载能力。但由于考虑到电源的综合保护能力，尤其是输出过载保护， 容性负载能力不可能太大，否则保护特性将变差。因此用户在使用过程中负载电容总量不应 超过最大容性负载能力。 Vo 输出电流保护一般有四种方式： ●恒流式：当到达电流保护点时，输出电流随负载的 进一步的加重，略有增加，输出电压不断下降。 ●回折式：当到达电流保护点时，输出电流随负载的 的加重，输出电压不断下降，同时输出电流也不断下降。 ●恒流-截止式：当到达电流保护点时，首先是恒流式 ●精确自恢复截止式：输出电流到达保护点，电源模块输出被禁止，负载减轻电路自恢复。 在大部分电路中使用恒流式与截止式较多，比较理想的保护方式是精确自恢复截止式，或者恒流-截止式保护。其中恒流式、回折式保护本质上就是自恢复的，但输出短路时的功耗较大， 尤其是恒流式。而截止式、恒流-截止式保护的自恢复特性须加辅助复位电路来完成自恢复，其 输出过载时的功耗可以通过复位电路的周期进行调整，即调整间歇启动的时间间隔。一般电流 保护1.2~2倍标称输出电流。精确自恢复截止式电流保护点设定为标称输出电流1.2倍或1.3倍。 一般输出有过压嵌位保护。 4、负载瞬态响应 当输出的负载迅速发生变化时，输出的电压会出现 上冲或下跌。电源模块经过调整恢复原输出电压。这个 响应过程中有两个重要的指标：过冲电压（ Vo）和恢复 时间（tr）。过冲越小，恢复时间越短，系统响应速度 越快。一般在25%的标称负载阶跃变化，输出电压的 过冲为4%VO，恢复时间为500μS左右。 5、外围推荐电路 1）输出电压的调节： 本公司产品中有TRIM输出管脚的产品，可以通过电阻或电位器对输出电压进行一定范围内的调节。将电位器的中心与TRIM相连，在有+S，-S管脚的模块中，其他两端分别接+S、-S，没有相应主路的输出正负极（+S接Vo1，-S接GND上，调节电位器即可。辅路跟随主路调节。电位器阻值根据输出电压的大小选用5～20K?比较合适。一般微调范围为±10%。
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 import 1.1 check stack-up 1.2 check net 1.3 check circuit element 2.Resonant mode analysis 2.1 未修改前，原分地、分power 2.2 部分power plane合併(已合地) 2.3 加de-coupling電容(已合地、合power) 3.Target Impedance 3.1 VDD3.3V for general IO 3.2 RF_VDD33 4.Voltage Drop (IR drop) 4.1 Generate sources and sinks 4.2 Meshing 4.3 Plotting and analyzing results 4.3.1. 原分地、分電源 4.3.2. 合地、合電源後 5.案例分析-- DCDC noise couple 5.1 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?
电源完整性设计 作者:于博士 一、为什么要重视电源噪声 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。解释这些问题需要非常长的篇幅，本文不做进一步介绍，我会在后续文章中详细讲解。 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。 二、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。这些限制要考虑两个部分，第一是稳压芯片的直流输出误差，第二是电源噪声的峰值幅度。老式的稳压芯片
开关电源维修 开关电源在工业自动化时代，已经被用于到所有行业，其精密电路板和对电流电源的严格要求，使得开关电源电路板维修成为PCB维修行业中难度比较大的一中常见故障设备。 在开关电源维修之前，我们必须了解开关电源的工作原理，电源先将高电压交流电通过全桥二极管整流以后成为高电压的波动直流电，再经过电容滤波以后成为较为平滑的高压直流电。这时，控制电路控制大功率开关管将高压直流电按照一定的高频频率分批送到高频变压器的初级。接着，把从次级线圈输出的降压后的高频低压交流电通过整流滤波转换为能使负载工作的低电压强电流的直流电。其中，控制电路是必不可少的部分。它能有效的监控输出端的电压值，并向功率开关管发出信号控制电压上下调整的幅度。在开关电源中，由于电源输入部分工作在高电压、大电流的状态下，故障率最高;其次输出直流部分的整流二极管、保护二极管、大功率开关三极管较易损坏，再就是脉宽调制器的反馈和保护部分。 一、在断电情况下 首先，在开关电源没通电前，先用万用表测一下高压电容两端的电压先。如果是开关电源不起振或开关管开路引起的故障，则大多数情况下，高压滤波电容两端的电压未泄放掉，此电压有300多伏，如果不小心被阁下玉手摸到，一定让你留下难忘的记忆! 由于检修电源要接触到220V高压电，人体一旦接触36V以上的电压就有生命危险。因此，在有可能的条件下，尽量先检查一下在断电状态下有无明显的短路、元器件损坏故障。首先，打开电源的外壳，检查保险丝是否熔断，再观察电源的内部情况，如果发现电源的
PCB板上元件破裂，则应重点检查此元件，一般来讲这是出现故障的主要原因;闻一下电源内部是否有糊味，检查是否有烧焦的元器件;问一下电源损坏的经过，是否对电源进行违规的操作，这一点对于维修任何设备都是必须的。在初步检查以后，还要对电源进行更深入地检测。 用万用表测量AC电源线两端的正反向电阻及电容器充电情况，如果电阻值过低，说明电源内部存在短路，正常时其阻值应能达到100千欧以上;电容器应能够充放电，如果损坏，则表现为AC电源线两端阻值低，呈短路状态，否则可能是开关管击穿。然后检查直流输出部分脱开负载，分别测量各组输出端的对地电阻，正常时，表针应有电容器充放电摆动，最后指示的应为该路的泄放电阻的阻值。否则多数是整流二极管反向击穿所致。 二、加电检测 在通过以上检测后，就可以进行加电测试。这时候才是关键所在，需要有一定的经验、电子基础及维修技巧。一般来讲应重点检查一下电源的输入端，开关三极管，电源保护电路以及电源的输出电压电流等。如果电源启动一下就停止，则该电源处于保护状态下，可直接测量PWM芯片保护输入脚的电压，如果电压超出规定值，则说明电源的处于保护状态下，应重点检查产生保护的原因。由于接触到高电压，建议没有电子基础的朋友需要小心操作。 三、常见故障 1.保险丝熔断 一般情况下，保险丝熔断说明电源的内部线路有问题。由于电源工作在高电压、大电流
开关电源维修步骤及常见故障分析- 电源 1、修理开关电源时，首先用万用表检测各功率部件是否击穿短路，如电源整流桥堆，开关管，高频大功率整流管;抑制浪涌电流的大功率电阻是否烧断。再检测各输出电压端口电阻是否异常，上述部件如有损坏则需更换。 2、第一步完成后，接通电源后还不能正常工作，接着要检测功率因数模块(PFC)和脉宽调制组件(PWM)，查阅相关资料，熟悉PFC和PWM模块每个脚的功能及其模块正常工作的必备条件。 3、然后，对于具有PFC电路的电源则需测量滤波电容两端电压是否为380VDC左右，如有380VDC左右电压，说明PFC模块工作正常，接着检测PWM组件的工作状态，测量其电源输入端VC ，参考电压输出端VR ，启动控制Vstart/Vcontrol端电压是否正常，利用220VAC/220VAC隔离变压器给开关电源供电，用示波器观测PWM模块CT端对地的波形是否为线性良好的锯齿波或三角形，如TL494 CT端为锯齿波，FA5310其CT端为三角波。输出端V0的波形是否为有序的窄脉冲信号。 4、在开关电源维修实践中，有许多开关电源采用UC38××系列8脚PWM组件，大多数电源不能工作都是因为电源启动电阻损坏，或芯片性能下降。当R断路后无VC，PWM 组件无法工作，需更换与原来功率阻值相同的电阻。当PWM组件启动电流增加后，可减小R值到PWM组件能正常工作为止。在修一台GE DR电源时，PWM模块为UC3843，检测未发现其他异常，在R(220K)上并接一个220K的电阻后，PWM组件工作，输出电压均正常。有时候由于外围电路故障，致使VR端5V电压为0V，PWM组件也不工作，在修柯达8900相机电源时，遇到此情况，把与VR端相连的外电路断开，VR从0V变为5V，PWM 组件正常工作，输出电压均正常。 5、当滤波电容上无380VDC左右电压时，说明PFC电路没有正常工作，PFC模块关键检测脚为电源输入脚VC，启动脚Vstart/control，CT和RT脚及V0脚。修理一台富士3000相机时，测试一板上滤波电容上无380VDC电压。VC，Vstart/control,CT和RT波形以及V0波形均正常，测量场效应功率开关管G极无V0 波形，由于FA5331(PFC)为贴片元件，机器用久后出现V0端与板之间虚焊，V0信号没有送到场效应管G极。将V0端与板上焊点焊好，用万用表测量滤波电容有380VDC电压。当Vstart/control 端为低电平时，PFC亦不能工作，则要检测其端点与外围相连的有关电路。
四、电源的基本参数 1电压 2输入电压 就是市电电压。 国内电压是220V，但电网电压并不是时刻稳定在220V，而是有一定的波动。采用被动PFC 的电源，可以适应的电网电压一般是在180~264V 之间，当电压突然降低到180V 以下时，电源会出现重新启动的现象；电压偏高，则会导致电源保险烧毁。 第15 页 部分电源可以承受电压的缓慢下降，甚至电压缓降到180V 以下时，也可以正常工作， 但此时电源的负载能力也将下降，难以达到额定功率的输出。采用了主动PFC 电路的电源，适应电压可以扩大到90~264V，在此区间均可正常使用。需要指出的是，不是所有 主动PFC 电源，都是宽电压设计。 4.1.2 输出电压 就是电源输出给电脑使用的直流电压。 ATX 电源输出的直流电压有+5V、+12V、-12V 、+5VSB、+3.3V。 同样，电源所输出的直流电压也会有一定的波动。我们允许输出电压有一定的波动，但不能超过INTEL 所界定的范围，正电压允许在基准值上下5%之内波动，而负电压允许在上下10%之内波动，如+5V 的正常范围是4.75~5.25V，而-12V 的正常范围是-10.8~-13.2V 。 要求电源在空载、轻载、典型负载与满载状态下，各路输出电压均在允 许范围 内。当超过此范围，电脑运行就有可能出现问题。检测电源的输出电压需要使用万用表等设备，软件检测的结果往往并不精确。电源输出电压的稳 定性，是电源的一个重要指标，但绝不是判断一款电源优劣的唯一指标。电源性能指标非常繁多，电压的稳定性只是其中一项。只要电源输出在合理的范围内，对电脑配件都不会造成负面影响，这时电压的波动范围在1%和5%的意义是一样的，过分地关注波动的大小是不必要的。但波动的相对大小，侧面反映了电源的负载能力，波动率相对越小的电源，其实际的最大输出功率可能越大，毕竟，输出电压超出规定范围时的输出功率是没有益处的。 相对来说，电压偏高比电压偏低更具有危险性，电压偏低至多引起电脑工作的不正常，而电压偏高则可能烧毁硬件。一
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。
开关电源常见四大故障及检修方法 开关电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于深圳开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。 1. 无输出，保险管正常这种现象说明开关电源未工作或进入了保护状态。首先要测量电源控制芯片的启动脚是否有启动电压，若无启动电压或者启动电压太低，则要检查启动电阻和启动脚外接的元件是否漏电，此时如电源控制芯片正常，则经上述检查可以迅速查到故障。若有启动电压，则测量控制芯片的输出端在开机瞬间是否有高、低电平的跳变，若无跳变，说明控制芯片坏、外围振荡电路元件或保护电路有问题，可先代换控制芯片，再检查外围元件;若有跳变，一般为开关管不良或损坏。 2. 保险烧或炸主要检查300V上的大滤波电容、整流桥各
二极管及开关管等部位，抗干扰电路出问题也会导致保险烧、发黑。需要注意的是：因开关管击穿导致保险烧一般会把电流检测电阻和电源控制芯片烧坏。负温度系数热敏电阻也很容易和保险一起被烧坏。 3. 有输出电压，但输出电压过高这种故障一般来自于稳压取样和稳压控制电路。在直流输出、取样电阻、误差取样放大器如TL431、光耦、电源控制芯片等电路共同构成一个闭合的控制环路，任何一处出问题就会导致输出电压升高。 4. 输出电压过低除稳压控制电路会引起输出电压低，还有下面一些原因也会引起输出电压低： a. 开关电源负载有短路故障（特别是DC/DC变换器短路或性能不良等），此时，应该断开开关电源电路的所有负载，以区分是开关电源电路还是负载电路有故障。若断开负载电路电压输出正常，说明是负载过重;或仍不正常说明开关电源电路有故障。 b. 输出电压端整流二极管、滤波电容失效等，可以通过代换法进行判断。 c. 开关管的性能下降，必然导致开关管不能正常导通，使电源的内阻增加，带负载能力下降。 12v开关电源维修分析
于博士信号完整性研究网 https://www.doczj.com/doc/b915195820.html, 电源完整性设计详解 作者：于争 博士 2009年4月10日
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 -
开关电源维修手册 目录引言 一、二、三、 LLC谐振变换器原理 2 LLC 谐振腔之元件设计3 L6598\L6599 芯片资 料 .................................................................. ....错误！未定义书签。 1、L6599 芯片介绍................................................................... ............................ 错误！未定义书签。 2、芯片与典型方框 图 .................................................................. ........................................................... 5 3、PIN 脚功能................................................................... ..................................................................... ... 5 4、典型电源系统 图 .................................................................. ............................................................... 6 5、振荡器...............................................................................................................7 6、工作在轻载或无载时 (8) 四、 L6599 的工作流程 1、 L6599 供电回路………………………………………………………………………………………. 8 2、 L6599 的启动.......................................................................................................9 3、 L6599 稳压原理 (1) 0 4、L6599 的 SCP 保护及次级 OCP 保护 (11) 附： 过流延时保护电路 (12) 2007-12-20 1 DQA 内部专用资料
UPS不间断电源基础知识及保养 UPS电源是保障供电稳定和连续性的重要设备，因其主要机智 能化程度高，储能器材采用免维护蓄电池，使得在运行中往往忽略了对该系统的维护与检修。其实维护的好坏，对电源的寿命和故障率有很大影响，下面根据我们使用中的具体情况和维护经验介绍UPS电源的使用注意事项和日常维护要求。 虽说各企业配置的UPS供电系统设备型号及系统容量有所不同，但其原理和主要功能基本相同。在UPS电源类型选择上各站都选择了在线式，这时因为在线式UPS电源系统具有对各类供电的零时间切换，自身供电时间的长短可选，并具有稳压、稳频、净化的特点。当UPS电源系统本身出现故障时有自动旁路功能，当需要检修时可采用手动旁路，使检修、供电互不影响。 一、 UPS电源系统 UPS电源系统由4部分组成：整流、储能、变换和开关控制。其系统的稳压功能通常是由整流器完成的，整流器件采用可控硅或高频开关整流器，本身具有可根据外电的变化控制输出幅度的功能，从而当外电发生变化时（该变化应满足系统要求），输出幅度基本不变的 整流电压。净化功能由储能电池来完成，由于整流器对瞬时脉冲干扰不能消除，整流后的电压仍存在干扰脉冲。储能电池除可存储直流直能的功能外，对整流器来说就象接了一只大容器电容器，其等效电容量的大小，与储能电池容量大小成正比。由于电容两端的电压是不能突变的，即利用了电容器对脉冲的平滑特性消除了脉冲干扰，起到了
净化功能，也称对干扰的屏蔽。频率的稳定则由变换器来完成，频率稳定度取决于变换器的振荡频率的稳定程度。为方便UPS电源系统的日常操作与维护，设计了系统工作开关，主机自检故障后的自动旁路开关，检修旁路开关等开关控制。 在电压工作正常时，给负载供电而且，同时给储能电池充电；当突发停电时，UPS电源开始工作，由储能电池工给负载所需电源，维持正常的生产；当由于生产需要，负载严重过载时，由电网电压经整流直接给负载供电。UPS电源系统主要分两大部分，主机和储能电池。额定输出功率的大小取决于主机部分，并与负载属那种性质有关，因为UPS电源对不同性能的负载驱动能力不同，通常负载功率应满足UPS电源70％的额定功率。储能电池容量的选取当负载功率确定后主要取决其后备时间的长短，主要由备用电源的接入时间来定，通常在几分钟或几个小时不等。 一、电源工作原理 变换：将电网来的交流电经自耦变压器降压、全波整流、滤波变为直流电压，供给逆变电路。输入有软启动电路，可避免开机时对电网的冲击。 逆变电路：采用大功率IGBT模块全桥逆变电路，具有很大的功率富余量，在输出动态范围内输出阻抗特别小，具有快速响应特性。由于采用高频调制限流技术，及快速短路保护技术，使逆变器无论是供电电压瞬变还是负载冲击或短路，均可安全可靠地工作。 控制驱动：控制驱动是完成整机功能控制的核心，它除了提供检测、
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
电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。由于开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%—30%，故目前它已成为稳压电源的主流产品。电子设备电气故障的检修，本着从易到难的原则，基本上都是先从电源入手，在确定其电源正常后，再进行其他部位的检修，且电源故障占电子设备电气故障的大多数。故了解开头电源基本工作原理，熟悉其维修技巧和常见故障，有利于缩短电子设备故障维修时间，提高个人设备维护技能。 二．开关电源的组成 开关电源大至由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成，见图1。 1．主电路 冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。 输入滤波器：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网。 整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。 逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分。 输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。 2．控制电路 一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器，改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。 3．检测电路 提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。 4．辅助电源 实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
三．开关电源的工作原理 开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。开关元件以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关无件接通时输入电源Vi通过开关S和滤波电路向负载RL提供能量，当开关S断开时，电路中的储能装置（L1、C2、二极管D组成的电路）向负载RL释放在开关接通时所储存的能量，使负载得到连续而稳定的能量。 VO=TON/T*Vi VO 为负载两端的电压平均值 TON 为开关每次接通的时间 T 为开关通断的工作周期
电源完整性理论基础 ------- 阿鸣随着PCB设计复杂度的逐步提高，对于信号完整性的分析除了反射，串扰以及EMI之外，稳定可靠的电源供应也成为设计者们重点研究的方向之一。尤其当开关器件数目不断增加，核心电压不断减小的时候，电源的波动往往会给系统带来致命的影响，于是人们提出了新的名词：电源完整性，简称PI(power integrity)。其实，PI和SI是紧密联系在一起的，只是以往的EDA仿真工具在进行信号完整性分析时，一般都是简单地假设电源绝对处于稳定状态，但随着系统设计对仿真精度的要求不断提高，这种假设显然是越来越不能被接受的，于是PI的研究分析也应运而生。从广义上说，PI是属于SI研究范畴之内的，而新一代的信号完整性仿真必须建立在可靠的电源完整性基础之上。虽然电源完整性主要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，通常把如何减少地平面的噪声也作为电源完整性中的一部分进行讨论。 一． 电源噪声的起因及危害 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；二是电流回路上存在的电感。从表现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（图1-a）；非理想电源阻抗影响（图1-b）；谐振及边缘效应（图1-c）。
对于一个理想的电源来说，其阻抗为零，在平面任何一点的电位都是保持恒定的（等于系统供给电压），然而实际的情况并不如此，而是存在很大的噪声干扰，甚至有可能影响系统的正常工作，见图2： 开关噪声给信号传输带来的影响更为显著，由于地引线和平面存在寄生电感，在开关电流的作用下，会造成一定的电压波动，也就是说器件的参考地已经不再保持零电平，这样，在驱动端（见图3-a），本来要发送的低电平会出现相应的噪声波形，相位和地面噪声相同，而对于开关信号波形来说，会因为地噪声的影响导致信号的下降沿变缓；在接收端（见图3-b），信号的波形同样会受到地噪声的干扰，不过这时的干扰波形和地噪声相位相反；另外，在一些存储性器件里，还有可能因为本身电源和地噪声的影响造成数据意外翻转（图3-c）。 从前面的图3-c我们可以看到，电源平面其实可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可以看成是一个共振腔，在一定频率下，这些电容和电感会发生谐振现象，从而影响电源层的阻抗。比如一个8英寸×9英寸的PCB空板，板材是普通的FR4，电源和地之间的间距为4.5Mils，随着频率的增加，电源阻抗是不断变化的，尤其是在并联谐振效应显著的时候，电源阻抗也随之明显增加（见图4）。
如何实现电源PCB板完整性的设计 在电路设计中，一般我们很关心信号的质量问题，但有时我们往往局限在信号线上进行研究，而把电源和地当成理想的情况来处理，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。尽管电路设计比较直接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略了电源完整性设计。因为电源完整性直接影响最终PCB板的信号完整性。电源完整性和信号完整性二者是密切关联的，而且很多情况下，影响信号畸变的主要原因是电源系统。例如，地反弹噪声太大、去耦电容的设计不合适、回路影响很严重、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、电流不均匀等等。 （1）电源分配系统 电源完整性设计是一件十分复杂的事情，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，电压损耗越小。实际设计中我们可以通过规定最大的电压和电源变化范围来确定我们希望达到的目标阻抗，然后，通过调整电路中的相关因素使电源系统各部分的阻抗（与频率有关）目标阻抗去逼近。 （2）地反弹 当高速器件的边缘速率低于0.5ns时，来自大容量数据总线的数据交换速率特别快，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化时，由于回路电感会产生一个电压，当上升沿缩短时，电流变化率增大，地反弹电压增加。此时，地平面（地线）已经不是理想的零电平，而电源也不是理想的直流电位。当同时开关的门电路增加时，地反弹变得更加严重。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须尽可能的低，否则，连到相同的地上的静止将出现一个电压毛刷。地反弹随处可见，如芯片、封装、连接器或电路板上都有可能会出现地反弹，从而导致电源完整性问题。 从技术的发展角度来看，器件的上升沿将只会减少，总线的宽度将只会增加。保持地反弹在可接受的唯一方法是减少电源和地分布电感。对于，芯片，意味着，移到一个阵列晶片，
SIwave电源完整性仿真教程V1.0 目录 1软件介绍 (4) 2.1功能概述 (4) 2.2操作界面 (5) 2.3常用热键 (7) 2仿真的前期准备 (8) 2.1软件的准备 (8) 2.2 PCB文件导入 (8) 2.2.1 Launch SIwave方式 (8) 2.2.1 ANF+CMP方式 (9) 2.3 PCB的Validation Check (10) 2.4 PCB叠层结构设置 (11) 2.5仿真参数设置 (13) 2.6 RLC参数修正 (14) 2.6.1 RLC的自动导入 (14) 2.6.2检视自动导入的RLC默认值 (15)
2.6.3批量修改RLC值 (16) 2.6.4套用大厂的RLC参数 (16) 3 SIwave仿真模式 (17) 3.1谐振模式 (17) 3.2激励源模式 (19) 3.3 S参数分析 (22) 4实例仿真分析 (24) 4.1从Allegro中导入SIwave (24) 4.2 Validation Check (24) 4.3叠层结构设置 (24) 4.4无源参数RLC修正 (25) 4.5平面谐振分析 (27) 4.6目标阻抗（Z参数）分析 (28) 4.7选取退耦电容并添加 (29) 4.8再次运行仿真查看结果 (30) 5问题总结 (32)
5.1 PCB谐振的概念 (32) 5.2为何频率会有实部和虚部 (33) 5.3电容的非理想特性影响 (34) 5.4地平面完整与回流路径连续 (34) 5.5电源目标阻抗 (35)
1软件介绍 2.1功能概述 Ansoft SIwave主要用于解决电源完整性问题，采用全波有限元算法，只能进行无源的仿真分析。Ansoft SIwave虽然功能强大，但并非把PCB导入，就能算出整块板子的问题在哪里。还需要有经验的工程设计人员，以系统化的设计步骤导入此软件检查PCB设计。主要功能如下： 1.计算共振模式 在PDS电源地系统结构（层结构、材料、形状）的LAYOUT之前，我们可以计算出PDS 电源地系统的共有的、内在的共振模式。可以计算在目标阻抗要求的带宽或更高的带宽范围内共振频率点。 2. 查看共振模式下的电压分布图 避免把大电流的IC芯片放置于共振频率的电压的峰值点和电压谷点。原因是当把这些源放在共振频率的电压的峰值点和电压谷点的时候很容易引起共振。 3.侦测电压 利用电流源代替IC芯片放置于它们可能的LAYOUT placement位置的周围、同时放置电压探头于理想IC芯片的位置侦测该位置的电压频率相应。在电压的频率相应的曲线中，峰值电压所对应的频率点就是共振频率的发生点。 4.表面电压 基于电压峰值频率，查看这些频率点的表面电压的分布情况，把退耦电容放置于电压
DesignCon 2011 Signal and Power Integrity for a 1600 Mbps DDR3 PHY in Wirebond Package June Feng, Rambus Inc. [Email: jfeng@https://www.doczj.com/doc/b915195820.html,] Ralf Schmitt, Rambus Inc. Hai Lan, Rambus Inc. Yi Lu, Rambus Inc.
Abstract A DDR3 interface for a data rate of 1600MHz using a wirebond package and a low-cost system environment typical for consumer electronics products was implemented. In this environment crosstalk and supply noise are serious challenges and have to be carefully optimized to meet the data rate target. We are presenting the signal and power integrity analysis used to optimize the interface design and guarantee reliable system operation at the performance target under high-volume manufacturing conditions. The resulting DDR3 PHY was implemented in a test chip and achieves reliable memory operations at 1600MHz and beyond. Authors Biography June Feng received her MS from University of California at Davis, and BS from Beijing University in China. From 1998 to 2000, she was with Amkor Technology, Chandler, AZ. She was responsible for BGA package substrate modeling and design and PCB characterization. In 2000, she joined Rambus Inc and is currently a senior member of technical staff. She is in charge of performing detailed analysis, modeling, design and characterization in a variety of areas including high-speed, low cost PCB layout and device packaging. Her interests include high-speed interconnects modeling, channel VT budget simulation, power delivery network modeling and high-frequency measurements. Ralf Schmitt received his Ph.D. in Electrical Engineering from the Technical University of Berlin, Germany. Since 2002, he is with Rambus Inc, Los Altos, California, where he is a Senior Manager leading the SI/PI group, responsible for designing, modeling, and implementing Rambus multi-gigahertz signaling technologies. His professional interests include signal integrity, power integrity, clock distribution, and high-speed signaling technologies. Hai Lan is a Senior Member of Technical Staff at Rambus Inc., where he has been working on on-chip power integrity and jitter analysis for multi-gigabit interfaces. He received his Ph.D. in Electrical Engineering from Stanford University, M.S. in Electrical and Computer Engineering from Oregon State University, and B.S. in Electronic Engineering from Tsinghua University in 2006, 2001, and 1999, respectively. His professional interests include design, modeling, and simulation for mixed-signal integrated circuits, substrate noise coupling, power and signal integrity, and high-speed interconnects. Yi Lu is a senior systems engineer at Rambus Inc. He received the B.S. degree in electrical engineer and computer science from U.C. Berkeley in 2002 with honors. In 2004, he received the M.S. degree in electrical engineering from UCLA, where he designed and fabricated a 3D MEMS microdisk optical switch. Since joining Rambus in 2006, he has been a systems engineer designing various memory interfaces including XDR1/2 and DDR2/3.