电源完整性设计1

PCB设计中的电源信号完整性的考虑在PCB设计中，电源信号的完整性是一个非常重要的考虑因素。

电源信号完整性主要关注信号的稳定性、可靠性和抗干扰能力。

以下是在PCB设计中考虑电源信号完整性的几个重要方面：1.电源供电稳定性：电源信号的稳定性对系统的正常运行至关重要。

在设计中，应该选择具有稳定输出的电源，以确保电压和电流在整个系统中能够保持稳定。

稳定的电源可以减少系统噪声和漂移，提高系统性能和可靠性。

2.电源噪声和滤波：电源信号中的噪声可能会对系统的性能产生负面影响。

在PCB设计中，应采取一些滤波措施来降低电源噪声。

可以使用滤波电容和电源滤波器来抑制高频噪声。

此外，在布局中应该将电源线和地线分离，并与信号线保持足够的距离，以减少互联干扰。

3.电源线宽度和引出：电源线的宽度和布局对电源信号的完整性有重要影响。

电源线的宽度和长度应根据所需的电流和电压降进行计算。

在高电流应用中，更宽的电源线可以减少电源线的电阻和热降，确保供电稳定。

此外，应避免将电源线与其他信号线交叉，以减少互联干扰。

4.电源平面和地面平面：为了提供一个低电阻、低阻抗的供电路径，设计中通常会使用电源平面和地面平面。

电源平面提供了一个低阻抗的供电回路，可以降低电源噪声和电源电压的波动。

地面平面则提供了一个低阻抗的地引用，减少了信号线和电源线之间的串扰和互联干扰。

5.电源分区：在复杂的PCB设计中，将电源信号按照不同的功能分区是一个好的实践。

不同的模块或器件可能有不同的电源需求，分区设计可以简化供电布线，减少供电路径交叉，提高系统的电源完整性。

6.过热和过电流保护：为了保护系统免受过热和过电流的损害，设计中应考虑一些保护措施，如过热保险丝、过压保护器和电流限制器。

这些保护措施可以防止电源故障对系统产生严重影响，并提高系统的可靠性。

综上所述，在PCB设计中，电源信号的完整性是至关重要的。

通过选择稳定的电源、合理布局、适当的滤波和保护措施，可以提高电源信号的稳定性、可靠性和抗干扰能力，从而改善系统的性能和可靠性。

高速PCB中电源完整性的设计
中心议题：
* 电源噪声的起因及分析
* 去耦电容的应用
* 电源回路的设计
解决方案：
* 电源的分层设计来考虑
* 电容与芯片尽可能靠近芯片器件* 利用电源层和地层作为回路，减少了返回环路面积
一、引言
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（powerintegrity）。

当今国际市场上，IC 设计比较发达，但电源完整性设计还是一个薄弱的环节。

因此本文提出了PCB 板中电源完整性问题的产生，分析了影响电源完整性的因素并提出了解决PCB 板中电源完整性问题的优化方法与经验设计，具有较强的理论分析与实际工程应用价值。

二、电源噪声的起因及分析
对于电源噪声的起因我们通过一个与非门电路图进行分析。

图1 中的电路图为一个三输入与非门的结构图，因为与非门属于数字器件，它是通过1 和0 电平的切换来工作的。

随着IC 技术的不断提高，数字器件的切换速度也越来越快，这就引进了更多的高频分量，同时回路中的电感在高频下就很容易引起电。

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。

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。

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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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。