聊聊电源完整性
电源完整性分析
电源完整性设计详解解电源完整性设计详电源完整性设计详解？1、为什么要重视电源噪声问题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。
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。
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±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。
电源完整性理解与设计
电源完整性理解与设计一、定义：电源完整性（Powerintegrity）简称PI,是确认电源来源及目的端的电压及电流是否符合需求。
电源完整性在现今的电子产品中相当重要。
有几个有关电源完整性的层面：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+/-50mV）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。
1.1“地弹”：是指芯片内部“地”电平相对于电路板“地”电平的变化现象。
以电路板“地”为参考，就像是芯片内部的“地”电平不断的跳动，因此形象的称之为地弹（groundbounce）。
当器件输出端由一个状态跳变到另一个状态时，地弹现象会导致器件逻辑输入端产生毛刺。
对于任何形式封装的芯片，其引脚必会存在电感电容等寄生参数，而地弹主要是由于GND引脚上的阻抗引起的。
集成电路的规模越来越大，开关速度不断提高，地弹噪声如果控制不好就会影响电路的功能，因此有必要深入理解地弹的概念并研究它的规律。
我们可以用下图来直观的解释一下。
图中开关Q的不同位置代表了输出的“0”“1”两种状态。
假定由于电路状态装换，开关Q接通RL低电平，负载电容对地放电，随着负载电容电压下降，它积累的电荷流向地，在接地回路上形成一个大的电流浪涌。
随着放电电流建立然后衰减，这一电流变化作用于接地引脚的电感LG，这样在芯片外的电路板“地”与芯片内的地之间，会形成一定的电压差，如图中VG。
这种由于输出转换引起的芯片A的输出变化，产生地弹。
这对芯片A的输入逻辑是有影响的。
接收逻辑把输入电压和芯片内部的地电压差分比较确定输入,因此从接收逻辑来看就象输入信号本身叠加了一个与地弹噪声相同的噪声。
电源完整性
高速PCB中电源完整性的设计一、电源完整性概念电源完整性是相对于信号完整性提出的，信号完整性是指信号在传输路径上的质量，信号具有良好的信号完整性是指当在需要的时候，具有所必需达到的电压电平数值。
二、造成电源完整性问题的原因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。
当大量的芯片同时开启或关闭时，在电路中就会产生较大的瞬态电流，同时由于电源线和地线上电感电阻的存在就会在两者之间产生电压波动。
三、解决电源完整性问题的措施1、去耦电容的应用电源向负载短时间供电中，电容中的存储电荷可以防止电压下降，同时电容在器件的高速切换时可滤除高频噪声。
在高PCB设计中，一般在电源的输出端和芯片的电源输入端各加以个去耦电容，靠近电源端的电容一般电容值较大，接近芯片电源引脚的电容一般容值较小。
2、电源回路的设计尽量减小电源回路的面积，采用多层板设计可以增加电源层和地层，可以有效的缩小电源回路的面积，减小电源完整性问题。
在数字器件和模拟器件共存的高速PCB板中，为了防止数字器件所带来的高频噪声对模拟器件造成影响，我们把数字器件和模拟器件进行了分区布局，不主张把地进行分割，因为分立的数字地和模拟地要用0 欧电阻通过一点接地最后与电源地相连形成回路，不仅增大了回路的面积，增加了出现电源完整性问题的可能，而且，也增大了回路中的射频辐射和电磁兼容性问题。
对于高集成度的PCB设计中,由于信号线的走线可能比较复杂,形成的回路面积可能比较大，在靠近信号线的附件，在电源层和地层之间加一个电容，这样，顶层的信号线与地层形成镜像回路，底层的信号线与电源层形成镜像回路，这两条镜像回路通过电源层与底层之间的电容形成回路，有效的缩小了回路的面积，减小电源完整性问题。
电源完整性问题以及改进思路分析
首页技术文库|业界新闻|产品新知|应用实例|论坛|在线研讨会|深度报道|基础知识库|白皮书放大|调整与转换|功率与驱动|RF/无线|信号处理|信号采集|设计测试有名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询网友推荐相关文章精品文章IIC-China2010春季展上海 3月15-16日白皮书L×(di/dt)，虽然其他噪声成份有时也会占主导地位，比如传播和反射噪声以及谐振噪声压降变异方法来分析集成电路各个部分的电压下降。
随着工艺尺寸的不断缩小，相对重要的电源完，调整比例为，大约工作电压调整比例为，减少量仅约为频率调整比例为，可以有订阅速递赶快加入订阅！热点下载锂离子电池组的主动充电平衡法分析延长锂离子电池寿命的充电和放电方法投票数 芯片面积调整比例为，只减少2绝对技术指南研讨会推荐：我们将讨论如何在当今的嵌入式设计中应用系统级可编程设计方法。
利用这种方法可助你：排行榜在线研讨会新闻聚合器首页技术文库|业界新闻|产品新知|应用实例|论坛|在线研讨会|深度报道|基础知识库|白皮书放大|调整与转换|功率与驱动|RF/无线|信号处理|信号采集|设计测试有名读者发表评论申请免费杂志订阅收藏打印版推荐给同仁发送查询网友推荐相关文章精品文章在上述缩放条件下，平均有效电流的缩放系数为电压缩放系数的倒数，即由于频率缩放系数为，因此缩放系数为。
? 另外，由于芯片面积缩放系数为，因此每边的缩放系数。
如果每边尺寸更小，并假设电源总线用相同的宽度和间距绘制，那么每条边的并行总线数量减少，或有效电感增加。
缩放倍数为，或IIC-China2010春季展上海 3月15-16日白皮书锂离子电池组的主动充电平衡法分析延长锂离子电池寿命的充电和放电方法投票数1绝对技术指南研讨会推荐：订阅速递赶快加入订阅！热点下载排行榜研讨会推荐：我们将讨论如何在当今的嵌入式设计中应用系统级可编程设计方法。
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9高速信号的电源完整性分析
电源分配系统设计
电源分配系统的分类
➢ 局部电源分配网络 ➢ 系统级电源分配网络
常用的两种电源分配方案
➢ 电源总线法（Power Bus） ➢ 电源位面法（Power Plane）
电源分配系统设计
电源分配系统的阻抗设计
目标阻抗法: 首先根据系统要求，确定目标阻抗，然后设计电
源分配网络的阻抗，使其在一定的频率范围内低于目 标阻抗。
同步开关噪声
指当器件处于开关状态下产生的瞬间变化的电流(di/dt )在经过回 流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而引起的噪声，因此同 步开关噪声也称为ΔI噪声。
电源完整性概述
地弹噪声
它是同步开关噪声对电源完整性影响的表现之一，是指芯片上的地 参考电压的跳动。当大量芯片的输出同时开启时，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(0 V)上产生电压的波动和变化， 这个噪声会影响其他元器件的动作。
电路板中电源系统设计
➢ 高频下地平面层对信号的影响
在高频情况下，信号的回路电流是沿着电感最小的路径（也就是 阻抗最小的路径）流回，这表现在回路电流集中分布在信号走线的正下 方。反过来，如果信号线和回路离得很近，那么两者电流大小近似相等， 方向相反，在外部空间产生的磁场可以相互抵消，因此对外界的EMI也 很小。所以，在叠层设置时最好保证每个信号走线层都有很近的地平面 层相对应。
C Id t dV
3）考虑到实际情况可能因为温度、老化等因素影响，实际的 电容值应比理论计算值稍大以保证一定裕量。
电源分配系统设计
方法二：通过回路电感计算 计算步骤：
1） 计算电源回路允许的最大阻抗Xmax 2） 考虑低频旁路电容的工作范围 3） 考虑最高有效频率Fknee，也称为截止频率 4） 计算在最大的有效频率(Fknee)下电容允许的最大电感LTOL 5） 算出需要的电容个数N 6） 电容在低频下不能超过允许的阻抗范围，可算出总的电容值C 7） 最后算出每个电容的取值Cn
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。
为什么电源完整性(PI)是个“热”话题—如何进行电热协同仿真
在设计新一代产品时，我们共同追求的目标都是“更快，更小，更便宜”。
然而当这与更长的电池寿命和更低的功耗要求相遇时，就向我们提出了艰巨的设计挑战。
唯一可以肯定的是，项目开发进度并不会因为我们需要克服挑战而延期。
每个电子产品的设计师无疑都需要能够分析供电网络的工具。
虽然元器件可以承受电源和地通路的某些波动，但这种容限是有限的。
穿孔严重以至于像瑞士奶酪般的板层，以及为给信号布线腾出空间而在填充区域走线、打孔的做法只会加剧电压波动。
但是当我们处于“更快，更小，更便宜”的压力之下时，这些却成为了我们的权宜之计。
直流电源分析（也称为压降分析）工具通常是电子产品设计人员在面临设计挑战时首先使用的工具。
然而在固定温度下进行的分析却存在一个常见问题：当电流通过板层中的穿孔平面和阻塞区域（瓶颈区域）返回时，电流密度将导致这些部分的温度高于PCB的其他正常区域。
因此，在固定环境温度下分析压降会导致压降预测的不准确性。
解决方案则是使用专业的工具（如下图所示）对压降分析与热分析同时进行：根据电子产品PCB区域的运行温度对直流压降进行准确的预测。
除电/热协同仿真外，还可以分析多板配置：即对于附带存储卡的产品，可以对其进行完整的系统供电网络分析。
（点击查看大图）（点击查看大图）（点击查看大图）以下是11分钟的详细技术演示视频，演示所用工具为Sigrity PowerDC technology。
如果您正在使用Allegro工具进行PCB或IC封装设计，您甚至可以在设计中直接调用、访问电热协同仿真工具Sigrity PowerDC。
精准的压降分析可以在批处理模式下运行；通过报告文件提供的链接，设计人员可以准确定位超出规范的设计部分。
您从此不必再为完成设计而在不同工具之间来回切换，提高工作效率的同时缩短了设计周期。
电源完整性设计详解
电源完整性设计详解目 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 -电源完整性设计详解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。
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PI:聊聊电源完整性（PI）仿真(转)
首先，咱们先来讨论一下电源完整性的概念，电源完整性（PI，Power Integrity)就是为板级系统提供一个稳定可靠的电源分配系统（PDS）。
实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片工作时所引起的电压波动、辐射及串扰。
今天，一起来聊聊电源完整性仿真的必要性：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。
电源完整性PI与信号完整性SI的相互影响：从整个仿真领域来看，刚开始大家都把注意力放在信号完整性上，但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。
电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电源的完整性设计。
所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。
设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。
电源完整性研究的内容：电源完整性仿真的内容很多，但主要的几个方面如下：
1：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。
2：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。
3：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。
电源分配系统（PDS）：上图是一张经典的电源分配系统特性图，相信大家都比较熟悉。
从这个图里面，我们可以将整个电源频段分成几部分。
在低频段，电源噪声主要靠电源转换芯片VRM来滤波。
在几MHZ到几百MHZ的频段，电源噪声主要是由板级分立电容和PCB的电源地平面对来滤波。
在高频部分，电源噪声主要是由PCB的电源地平面对和芯片内部的高频电容来滤波。
我们在做仿真的时候，对低频和高频部分的仿真精度都还不准确，真正有意义的频段主要还是在几MHZ到几百MHZ这个频段。
该聊聊大家都很熟悉的目标阻抗Ztarget了。
笔者认为，这个目标阻抗是电源完整性仿真里的一个有用但不精确的标准。
其中：Ztarget目标阻抗
Power Supply Voltage是工作电压
Allowed Ripple 是允许的工作电压纹波系数
Current 是工作电流，目前这个值是用最大电流的1/2来替代。
大家都知道，电源测试的时候，主要是测试纹波，噪声，但是业界目前还很难通过软件进行时域的纹波噪声仿真（一些大公司已经通过测试来建立芯片的噪声模型，然后用这个模型直接仿真，得到的结果就是电源噪声，但目前还处于探索阶段，没有推广使用），而是仿真电源分配系统的电源阻抗，他们的关系可以通过V=R/I来联系。
因此如果还是仿真阻抗曲线的话，测试与仿真不能形成闭环。
在衡量这个阻抗曲线是否能满足要求的时候，使用了这个目标阻抗的标准，但是仔细想想，这个标准还是有很多问题的，比如：这里的电流多大合适？实际的单板功耗是一个动态功耗，是不端的变的。
在单板的整个频段范围里，使用统一的目标阻抗值，肯定也是不合理的，应该是各个频段，标准不一样。
虽然有这些问题存在，但这个标准还是很有用的，可以通过这个标准衡量电源平面的好坏。
就如目前的时序计算，大家基本上都是通过公式对时序进行计算，就是所谓的静态时序分析。
虽然这个静态时序分析对电源波动，ISI,SSN等问题考虑不周到，也就是说计算结果不准确，但用来衡量接口时序还是很有用的。
因此笔者认为，目标阻抗是一个有用而不准确的标准。
关于电容的资料很多，这里只做简单介绍，下次将介绍在PI仿真里面很重要的平面板电容。
电容不仅仅是电容：在频率很高时，电容不能再被当作一个理想的电容看，而应该充分考虑到它的寄生参数效应，通常电容的寄生参数为
ESR,ESL。
串联的RLC电路在f处谐振。
其曲线如下图。
图中f为串联谐振频率（SRF），在f之前为容性，而在f之后，则为感性，相当一个电感，所以在选择滤波电容时，必须使电容器工作在谐振频率之前。
在仿真的时候，由于目前VRM的模型基本上是不准确的，低频的滤波靠DC/DC电源转换芯片来完成，一般300K以下的低频阻抗曲线是不准确地。
频率范围的上限一般取信号的截止频率fknee=0.35 /Trrise，其中Trise为信号上升时间。
但是也要明白一点，如果你只是做板级电源完整性仿真，最多考虑到1G就可以了，因为大于1G以后，要靠芯片内部的电容来滤波，在做板级仿真的时候，没有芯片内部的模型，所以高频部分的仿真也是不准确的。
当然了，如果您有芯片内部的信息，也可以用SIWAVE等软件做
DIE-PACKAGE-BOARD的协同仿真，高频部分也就准确了。
因此很多情况下，低频仿真不出电源负反馈、高频仿真不出芯片内电容, 我们不要把仿真的结果当做绝对值，可以把它当作是相对值，通过去耦电容的选择和放置、电源和地平面的分割等方法来优化阻抗。
祝愿各位在做仿真的时候能灵活运用。