电源完整性设计共28页文档
芯片设计中的电源完整性优化方案有哪些
芯片设计中的电源完整性优化方案有哪些在当今的科技领域，芯片作为核心组件，其性能和稳定性对于各种电子设备的运行至关重要。
而在芯片设计中，电源完整性是一个关键的考虑因素。
电源完整性不佳可能导致信号失真、噪声增加、性能下降甚至芯片失效等问题。
那么，为了确保芯片的正常运行，有哪些有效的电源完整性优化方案呢？首先，合理的电源分配网络（PDN）设计是基础。
PDN 就像是芯片的“血管”，负责为各个部分输送稳定的电源。
在设计 PDN 时，需要考虑到电流的需求、电阻和电感的影响。
通过使用多层板和大面积的电源平面，可以减小电阻和电感，从而降低电源线上的电压降和噪声。
同时，合理规划电源引脚的布局，使得电流能够均匀地分布到芯片的各个区域。
其次，去耦电容的选择和布局也非常重要。
去耦电容就像是电源的“蓄水池”，能够在电流需求突然变化时迅速提供能量，从而稳定电源电压。
在选择去耦电容时，需要考虑电容的容量、等效串联电阻（ESR）和等效串联电感（ESL）等参数。
通常，会使用多种不同容量的电容组合，以覆盖不同频率范围的噪声。
在布局去耦电容时，应尽量靠近电源引脚和芯片的敏感区域，以减少寄生电感的影响。
芯片封装的设计也对电源完整性有着显著的影响。
优质的封装可以降低电感和电阻，提高电源的传输效率。
例如，采用倒装芯片封装技术，可以缩短芯片与封装之间的连接路径，从而减小电感。
此外，优化封装的引脚布局和电源引脚的数量，也有助于改善电源的分布。
在芯片内部，电源门控技术是一种有效的节能和优化电源完整性的方法。
通过在不需要某些模块工作时关闭其电源，可以减少静态功耗，同时降低电源噪声的影响。
这种技术需要在设计时仔细考虑电源开关的控制逻辑和时序，以避免出现错误的操作。
电源网格的布线也是一个关键环节。
布线的宽度和间距需要根据电流大小进行合理设计，以确保足够的电流承载能力。
同时，要尽量避免直角转弯和过长的走线，以减小电感的影响。
使用先进的布线工具和算法，可以帮助优化电源网格的布线。
高速PCB中电源完整性的设计
高速PCB中电源完整性的设计
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源波动。
如在图1中，当与非门输入全为高电平时，电路中的三。
电源完整性设计指导
电源、地平面的功能与设计原理............................................................................................. 20 2.1 电地平面的阻抗与滤波功能.....................................................................................21 2.1.1 电地平面地目标阻抗......................................................................................... 21 2.1.2 2.2 2.3 2.3.1 2.3.2 2.3.3 2.3.4 2.3.5 2.3.6 目标阻抗的获得..................................................................................................21 电地平面的信号参考功能......................................................................................... 26 电地平面的 EMI 抑制 ................................................................................................ 28 PCB 叠层的处理：.............................................................................................28 PCB 分割、布局、布线和电源平面分配问题 ...............................................28 地平面地划分和处理......................................................................................... 29 地电平面谐振地处理......................................................................................... 30 电源滤波的处理..................................................................................................31 其他与 EMI 密切相关的问题 ........................................................................... 31
电源完整性设计1
电源完整性设计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。
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。
电源完整性设计（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。
板级电源完整性设计与分析
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
AllegroSigrityPISolution电源完整性解决方案-Cadence
Allegro Sigrity PI Solution （电源完整性）解决方案Allegro Sigrity PI solution（电源完整性）提供了可扩展、高性价比的预布局及布局后系统PDN设计和分析环境，包含电路板、封装和系统级的初阶及进阶分析。
Allegro Sigrity PI Base与Cadence PCB和IC封装layout编辑器、Cadence Allegro Design Authoring紧密集成，实现了PCB和IC封装设计从前端至后端的约束驱动PDN设计。
Allegro Sigrity PI solution（电源完整性）可帮助设计工程师在整个设计过程中解决PDN问题，包括设计密度增加、数据吞吐率加快、产品设计时间缩减等设计挑战。
更可帮助设计团队消除设计后期耗时的设计迭代问题。
PDN中的电源和接地网络可通过混合求解器或3D全波求解器进行建模。
用户可根据自身的设计信息和专业知识选择合适的模型。
电源完整性约束集(PI Csets)可帮助决定去耦电容的放置，可以将电容与元器件相关联，约束将电容放置在离器件约束距离范围之内，以及定义电容应放置在设计元器件位置的同侧还是异侧。
核心优势• 高度集成的设计和分析环境，消除了手动设计过程中产生的出错、耗时等问题。
• 直观的在线设计分析工具，可统一从前端到后端的电气约束管理环境，从而简化布线后的签收验证过程。
• 直流压降分析(DC IR drop)以双窗口视图模式运行。
设计师们在Allegro编辑器进行编辑的同时也可查看直流压降分析结果。
• 设计规则检查(DRC)标记可以在Allegro编辑器中精准锁定直流压降分析结果超出约束限制的位置。
• 可轻松评估IC封装设计的质量，并可用于芯片间的瞬态电源分析。
主要功能设计界面与Allegro Sigrity PI solution（电源完整性）相结合，当分析AllegroPCB或者IC封装设计时，可用AllegroSigrity PI进行查看和修改设计。
电源完整性设计
电容对于交流信号呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上就是 降低了电源系统的交流阻抗。 瞬态电流的剧变也要使得电压变化很小，这就要求阻抗足够低。 事实上，电源分配系统设计的原则便是使阻抗最小。
从储能的角度来理解电源退耦，非常直观易懂，但是对电路设计 帮助不大。从阻抗的角度理解电容退耦，能让我们的设计有章可 循。
从电源系统的角度进行去耦设计
不同容值的电容并联
反谐振
A.不同容值的电容并联，其阻抗特性曲线的底部要比相同容值并联阻 抗曲线的底部平坦，因而能更有效地在很宽的频率范围内减小阻抗。 B.在反谐振频率点处会产生EMI问题，合理的选择电容，尽可能的压低 反谐振点处的阻抗。
从电源系统的角度进行去耦设计
合理选择电容组合
相同容值的电容并联
使用很多电容并联能有效地减小阻抗。63 个0.0316uF的小电容（每个 电容ESL为1nH）并联的效果相当于一个具有0.159nH ESL 的1.9908uF 的电容。
从电源系统的角度进行去耦设计
单个电容
并联电容
单个电容及并联电容的阻抗特性如图所示。并联后仍有相同的 谐振频率，但是并联电容在每一个频率点上的阻抗都小于单个 电容。要在很宽的频率范围内满足目标阻抗要求，需要并联大 量的同值电容。
从电源系统的角度进行去耦设计
电容的去耦半径
理解去耦半径可以通过考察噪声源和电容补偿电流之间的相位关系感知源自压波动电源平面的电 压波动
去耦电容
放电补偿
去耦电容感知电压波动和放电到波动区域，都有时间延迟，因而便有相位 上的不一致。特定的电容，对与它自谐振频率相同的噪声补偿效果最好， 我们以这个频率来衡量这种相位关系。 补偿电流： 。自谐振频率为f，对应波长为λ，A是电流幅度， R为需要补偿的区域到电容的距离，C为信号传播速度。 R=λ/4时，电流和噪声源完全反相，补偿能量无法到达，去耦作用消失。 R=0时，全补偿。 要求R远小于λ/4，经验数据是λ/40~ λ/50.
电源完整性
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。