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信号完整性系列之“PI”

电源完整性就是要确保电源Source端及Sink端的电压及电流符合需求。设计目标是把电源噪声控制在允许的范围内,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),能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。

电源完整性主要分为以下四个层面:芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。芯片设计主要关注芯片层面和封装层面的电源完整性;板级设计主要关心电路板层面,包括电源部分的纹波、噪声、EMC等;系统设计主要关注系统层面的PI,包括电源分配系统(PDS)如何为各个印刷电路板(PCB)上各部件提供稳定的电压;如何抑制由复杂的互连结构引起的电源噪声;如何提高高速信号质量等。

本文主要介绍电路板层面的电源完整性设计,主要指标有以下几个:

  • 保证芯片电源输入引脚的电压纹波噪声满足规格要求(比如芯片电源管脚的输入电压要求1V之间的误差小于±50 mV);

  • 控制地弹(同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO等);

  • 降低电磁干扰(EMI)并且符合电磁兼容性(EMC),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。


纹波和噪声


纹波和噪声往往被混为一谈,其实纹波和噪声是有区别的,纹波是指在电源输出的时候,电源自身开关引起的一种固定频率波动的现象,纹波一般跟电源的开关频率同步,由电容的充放电、PWM调节等产生。噪声是一个笼统的说法,包含很多种的成分,既包括底噪、电磁耦合、电源平面的谐振等,同时也包括电源自身的噪声。噪声主要是来自板上用电器件,随着用电器件内驱动、接收开关变化,电源网络上的电流也会随之变化,电流的变化也引起了电压的波动,因此这一部分的噪声占电源噪声的很大比重,其他的像电磁耦合等占的比重一般较小,但是在设计中也应该避免这些情况的发生。


在测试纹波的时候需要使用20MHz的带宽限制,目的是为了把高频的噪声去掉,位置要选择在电源输出位置,抓到真实的电源纹波。在测试电源噪声的时候不做带宽限制,目的是最大可能获取真实情况,位置选择可不固定,可在电源输出端,也可在用电芯片电源引脚端,但一般来说,在用电芯片引脚端测试噪声更有参考意义,这样才包含了整个PDN的噪声。但在工程上,在对电源进行测试时,一般并不刻意地把纹波和噪声分开,测量的是纹波和噪声两者的合成干扰,用峰峰值表示。

回沟

除了纹波和噪声外,电源部分经常被忽略的一个指标就是电源的上升单调性,启动过程中,电源电压保持单调爬升非常重要,只有这样才能确保器件成功开启。一般的器件都给出了严格的电压单调上升要求,即电源电压应该连续上升至所设置的稳压值,中间不应发生跌落。如果电源不能提供足够的输出功率,则会造成跌落。上电过程电源不是线性增加,而会出现电压降低的现象,称为上电回沟。



产生回沟的主要原因是:

  • 上电时序:线性上电时,后端的电突然起来导致有回沟。

  • 芯片自身的电压倒灌。某一路电源受其他电源的影响,会导致该路出现倒灌的现象。

  • 电源负载突然增加或者变动。芯片启动过程中,负载突然启动大量电流消耗,导致电源输出功率不够造成的。

常见的一些解决方法包括:保证上电顺序,可以在DC/DC的EN管脚加上RC延时电路进行软启动。在PDN的source端和sink端都加足够的电容,用于储能蓄电,保证短时大电流的供应。


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