4.仿真设计---电源完整性(一)-凡亿课堂

一个layout工程师学习信号完整性之路

电源完整性（Power Integrity），也就是大家平常听说的PI。PCB板上的电源设计也是非常重要的，不当的设计也会引起很重要的影响。所以电源完整性PI和信号完整性SI，是我们互连设计人员应该同等重视的问题。今天整理本人接触的电源完整性PI的一些原理，从不同的角度去看PI，会有不同的理解，下面开始喽！！！

一、PDN系统简介

提到互连的电源设计，可能首先想到的电源分配网络PDN（Power Distribution Nets）,因为互连电源会有许多种，直流DC和交流AC，还有不同的电压调节模块（VRM）与不同的负载端，这些互连的线路就构成了PDN系统，我们要设计的就是要保证这个系统的良好性能。

电源分配网络或配送网络（PDN），包含从稳压模块（VRM）到芯片的焊盘，再到裸芯片内分配本地电压和返回电流的片上金属层在内的所有互连，这个是《信号完整性与电源完整性分析》中的定义。下图是自己简单画了一个电源的分配系统，大家可以简单看一下呢：

二、电源完整性的基本原理

电源的完整性，从不同的角度去看，就会有不同的分析方法。但这些的分析方法都是为了保证电源完整性，具体的分解开来：**1.为负载端提供一个干净、稳定的电源、2.在PCB板上为信号提供一个低阻抗的路径，保证信号完整性的性能、3.在整个PCBA层级，要减少整体对外的电磁辐射**。基于以上三个目标，就要具体分析我们的互连设计，从《Cadence高速电路设计》中讲到经典的电源完整性分析可以从频域、时域、直流三个角度来看。

我们也从这三个角度来出发(站在巨人的而肩膀上可以看的更远)，再加上自己的理解更深入的理解一下电源的设计。

1）电源的频域分析

电源的噪声本身是时域的事情，我们通过频域的分析方法可以更好的观察交流噪声(交流噪声是电流变化的函数)的变化。在频域分析中我们主要查看电源的交流阻抗AC，也就是电源在不同的工作频率下不同的阻抗值。这时我们可能会接触到一个目标阻抗的概念。因为电源的PDN系统就是要求每个器件都能得到正常工作电压，那么就要对电源进行阻抗控制。只要我们的电源阻抗保证再目标阻抗以下，那么我们的电源就会保证有一个良好的性能。下面简单介绍一下目标阻抗的概念：

根据欧姆定律，电阻等于电压与电流的比值。目标阻抗也是电源电压与电流的一个比值。目标阻抗是用电芯片对供电电源的一个最低要求，其单位为欧姆ohm，表达式为：

Ztarget=(电源电压)X(允许的波动范围)/平均电流

目标阻抗是一种瞬态阻抗，是电路中的等效电阻、电容、电感共同作用的结果，所以目标阻抗与频率的变化有关，在有效的频率宽度内，电源阻抗都不能超过目标阻抗值。

图中是电源的交流阻抗，可以用Cadence Sigrity Power SI或Ansys sIwave来进行交流阻抗提取。其中的红颜色的线是根据目标阻抗计算出来的阻抗mask，可以看出1MHz到90MHz的阻抗值是低于目标阻抗的，这是经过不同的电容组合得来的。

2）电源的时域分析

时域分析方法就是实际我们用示波器测得的电源电压的波动情况。对于I/O电源来说的，最常见的方法是直接将电源与信号联合在一起仿真，获得在当前信号工作模式下对应的电源噪声曲线。这其中需要源端和负载器件模型，通过加载IBIS或SPICE来搭建模型仿真电路。用的软件是Cadence Sigrity SPEED2000或Ansys Circuit，后续文章会给大家更新。