一文搞定电源完整性PI分析与设计策略-凡亿课堂

昔日我曾如此苍老，如今才是风华正茂。

1 前言大家好，我是硬件花园！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。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。2 分析2.1 电源噪声的起因
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）。

2.2 非理想电源的影响

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），然而实际的电源平面总是存在阻抗的，这样在瞬间电流流过时，就会产生一定的电压浮动，见图2。

2.3 开关噪声的影响

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）。

2.4 谐振及边缘效应

从前面的图1-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(1mil = 0.0254mm)，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）。

除了谐振效应，电源平面和地平面的边缘效应同样是电源设计中需要注意的问题，这里说的边缘效应就是指边缘反射和辐射现象，也可以列入EMI讨论的范畴。如果抑制了电源平面上的高频噪声，就能很好的减轻边缘的电磁辐射，通常是采用添加去耦电容的方法，从图5中可以看出去耦电容在抑制边缘辐射中的作用。边缘效应是无法完全避免的，在设计PCB时，要尽量让信号走线远离铺铜区边缘，以避免受到太大的干扰。

3 设计策略保证足够低的电源目标阻抗，是实现电源完整性设计的唯一方法。电源目标阻抗 = 最大允许纹波电压 / 瞬时动态电流。当然，目标阻抗设计方法是目前进行电源完整性设计的有效可靠的方法。在电子系统内，对于电源系统整体的供电阻抗要求小于0.001欧姆。3.1通流能力

需要额外关注PCB过孔、走线和电源平面的通流能力。当在一个平面上布置多个电源时，需要进行电源平面的分割。电源平面的分割方式要简洁合理，分割区域的大小要满足载流能力的要求。

3.2地平面

尽可能使电源平面与地平面成对相邻出现且电源平面与地平面应尽可能接近，平面之间的介质要尽可能薄。为了保证电源平面与地平面具有良好的电容耦合特性，一般将电源平面与地平面距离控制在5mil以内，最大不要超过10mil。如果电源平面与地平面无法相邻，为了达到较好的耦合效果，需要在电源和地之间额外加入去耦电容，增强电源与地平面之间的电容耦合特性。

3.3去耦电容的设计

去耦电容的合理使用(电容类型、电容数量、电容的布局位置)是电源完整性设计的重要部分。电容的去耦根据其摆放位置的不同可以分为：电源引脚去耦、电源平面去耦。电容的去耦作用是有一定的距离要求的，即去耦半径。进行引脚去耦时，要尽可能缩短焊盘和去耦电容之间引线的长度，引线过长会引入额外的寄生电感，从而使得去耦电容总的电感增大。

BGA类的IC一般都采用平面去耦的方式，而且其引脚数量众多，常常在一个区域内布置几个去耦电容同时给几个电源引脚去耦。在去耦电容的布局时，小容值的靠近IC引脚，大容值的可以距离IC稍远，各个规格的去耦电容应该均匀布置在IC四周，以便使IC所在区域各电源等级均匀去耦。电容焊盘的扇出方式推荐采用多过孔的方式。

3.4同步开关噪声(SSN)

同步开关噪声(SSN)实质上是当器件处于开关状态时，产生瞬间变化的电流(di / dt)，在经过回流路径上存在电感时，形成的交流压降，从而引起噪声，其定义为：