高速电路信号完整性分析与设计电子工业出版社教材电子工业出版社教材配套电子教案配套电子教案第九章第九章高速信号的电源完整性分析高速信号的电源完整性分析l电源完整性概述电源完整性概述l电源分配系统设计电源分配系统设计l电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计电源完整性概述电源完整性概述l电源完整性的相关概念电源完整性的相关概念u 电源完整性电源完整性 指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该指系统供电电源在经过一定的传输网络后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度。器件对工作电源要求的符合程度。u 电源分配网络电源分配网络 电源分配网络的作用就是给系统内所有器件或芯片提供足够的电电源分配网络的作用就是给系统内所有器件或芯片提供足够的电源，并满足系统对电源稳定性的要求。源，并满足系统对电源稳定性的要求。u 同步开关噪声同步开关噪声 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步开关噪声也称为I噪声。噪声。电源完整性概述电源完整性概述u 地弹噪声地弹噪声 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，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。这个噪声会影响其他元器件的动作。u 回流噪声回流噪声 电路只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作，这样每条电路只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作，这样每条信号线上的电流势必要找一个路径以从末端回到源端，一般会选择与之信号线上的电流势必要找一个路径以从末端回到源端，一般会选择与之相近的平面。由于地平面相近的平面。由于地平面(包括电源和地包括电源和地)分割，例如地层被分割为数字分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。平面回流噪声。电源完整性概述电源完整性概述l电源噪声的起因电源噪声的起因造成电源不稳定的根源主要在于两个方面造成电源不稳定的根源主要在于两个方面 ： 数字器件在高速开关状态下，数字器件在高速开关状态下，I噪声电流和瞬态负载电流过大；噪声电流和瞬态负载电流过大； 实际电源分配系统存在电感，造成输入阻抗过大，造成很大电磁干实际电源分配系统存在电感，造成输入阻抗过大，造成很大电磁干扰。扰。l电源噪声危害的表现形式电源噪声危害的表现形式 同步开关噪声同步开关噪声 非理想电源分配系统的阻抗影响非理想电源分配系统的阻抗影响 由于电源分配系统可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可由于电源分配系统可以看成是由很多电感和电容构成的网络，也可 看成谐振腔，存在谐振效应，影响阻抗的大小；同时存在边缘效应，即看成谐振腔，存在谐振效应，影响阻抗的大小；同时存在边缘效应，即引起边缘反射和边缘辐射现象。引起边缘反射和边缘辐射现象。电源分配系统设计电源分配系统设计l 电源分配系统的分类电源分配系统的分类 局部电源分配网络局部电源分配网络 系统级电源分配网络系统级电源分配网络l 常用的两种电源分配方案常用的两种电源分配方案 电源总线法（电源总线法（Power BusPower Bus） 电源位面法（电源位面法（Power PlanePower Plane）电源分配系统设计电源分配系统设计l 电源分配系统的阻抗设计电源分配系统的阻抗设计 目标阻抗法目标阻抗法: 首先根据系统要求，确定目标阻抗，然后设计电首先根据系统要求，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。标阻抗。 确定目标阻抗的计算公式为：确定目标阻抗的计算公式为： 电源分配系统设计电源分配系统设计l 电容在电源分配系统中的作用电容在电源分配系统中的作用 无论是降低电源平面阻抗，还是减少同步开关噪声，电容都起着很无论是降低电源平面阻抗，还是减少同步开关噪声，电容都起着很大的作用，因此，电容对电源完整性的设计有重要的作用，电源完整大的作用，因此，电容对电源完整性的设计有重要的作用，电源完整性设计的重点也是如何合理地选择和放置这些电容。性设计的重点也是如何合理地选择和放置这些电容。1.电容的频率特性电容的频率特性 实际的电容要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联实际的电容要比理想的电容复杂的多，除了包含寄生的串联电阻电阻Rs (ESR)和串联电感和串联电感Ls (ESL)，还有泄漏电阻，还有泄漏电阻Rp、介质吸收、介质吸收电容电容Cda和介质吸收电阻和介质吸收电阻Rda等。电容的各种等效模型如下：等。电容的各种等效模型如下：图9.1 电容的各种等效模型电源分配系统设计电源分配系统设计 电容的等效阻抗和串联谐振频率分别为：电容的等效阻抗和串联谐振频率分别为： 电容的阻抗变化与频率的关系：电容的阻抗变化与频率的关系： 图9.2 电容阻抗随频率变化的曲线图电源分配系统设计电源分配系统设计 从谐振频率的公式可以看出，电容大小和从谐振频率的公式可以看出，电容大小和ESL值的变化都会影响电容值的变化都会影响电容器的谐振频率：器的谐振频率： 由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以设计时尽量选用谐振频率和由于电容在谐振点附近的阻抗最低，所以设计时尽量选用谐振频率和实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大，则可以混合使实际工作频率相近的电容。如果工作的频率变化范围很大，则可以混合使用电容，即同时选择一些谐振频率较小的大电容和谐振频率较大的小电容。用电容，即同时选择一些谐振频率较小的大电容和谐振频率较大的小电容。图9.3 电容和ESL的变化对频率特性的影响电源分配系统设计电源分配系统设计2.电容的使用电容的使用选取合适电容值的计算方法选取合适电容值的计算方法 方法一：通过负载的瞬间电流消耗方法一：通过负载的瞬间电流消耗 计算步骤：计算步骤： 1） 计算负载需要的电流计算负载需要的电流 I 2） 计算所需的电容计算所需的电容C 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）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。容值应比理论计算值稍大以保证一定裕量。电源分配系统设计电源分配系统设计 方法二：通过回路电感计算方法二：通过回路电感计算 计算步骤：计算步骤： 1） 计算电源回路允许的最大阻抗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考虑低频旁路电容的工作范围 3） 考虑最高有效频率考虑最高有效频率Fknee，也称为截止频率，也称为截止频率 4） 计算在最大的有效频率计算在最大的有效频率(Fknee)下电容允许的最大电感下电容允许的最大电感LTOL 5） 算出需要的电容个数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最后算出每个电容的取值Cn电源分配系统设计电源分配系统设计3.电容布板的注意因素电容布板的注意因素(1) 减小电容引线/引脚的长度；(2) 使用宽的连线；(3) 电容尽量靠近器件，并直接和电源引脚相连；(4) 降低电容的高度(使用表贴型电容)；(5) 电容之间不要共用过孔，可以考虑打多个过孔接电源/地；(6) 电容的过孔要尽量靠近焊盘(能打在焊盘上最佳)。电源分配系统设计电源分配系统设计l电源电源/地平面对模型分析地平面对模型分析 电源电源/地平面对的作用地平面对的作用:- 为所有的有源器件提供电能为所有的有源器件提供电能- 为所有的信号交换提供稳定的电压参考为所有的信号交换提供稳定的电压参考- 提供回路电流的通路：地平面和电源平面可以提供回路电流的通路：地平面和电源平面可以减少电阻引起的电压损失减少电阻引起的电压损失- 减少高频噪声减少高频噪声- 对信号进行屏蔽对信号进行屏蔽电源分配系统设计电源分配系统设计 电源的平面模型电源的平面模型1.电源平面模型的拓扑结构电源平面模型的拓扑结构2. 3.将图将图所示的电源平面均匀分割成所示的电源平面均匀分割成N N的电源单元，使的电源单元，使每个单元在每个单元在X和和Y轴方向都构成传输线。可以得到图轴方向都构成传输线。可以得到图。4. 图9.3 电源平面物理结构 图9.4 电源平面分割 电源分配系统设计电源分配系统设计 结合传输线的结合传输线的RLC模型，我们可以得到每个电源单元的模型，我们可以得到每个电源单元的仿真模型，并最终可以构建出电源平面的整体模型。如图、仿真模型，并最终可以构建出电源平面的整体模型。如图、所示：所示：图9.5 电源(地)单元的RLC仿真模型图9.6 电源平面整体模型电源分配系统设计电源分配系统设计2.电源网格分析法电源网格分析法 电源网格的分析方法包括静态电源网格分析法和动态电源网格分析法电源网格的分析方法包括静态电源网格分析法和动态电源网格分析法两种。两种。静态电源网格分析法静态电源网格分析法 静态电源网格分析法无需额外的电路仿真即能提供全面的覆盖。静态电源网格分析法无需额外的电路仿真即能提供全面的覆盖。具体步骤如下：具体步骤如下： 提取电源网格的寄生电阻；提取电源网格的寄生电阻； 建立电源网格的电阻矩阵；建立电源网格的电阻矩阵； 计算与电源网格相连的每个电阻或者门的平均电流；计算与电源网格相连的每个电阻或者门的平均电流； 根据晶体管或门的物理位置，将平均电流分配到电阻矩阵中；根据晶体管或门的物理位置，将平均电流分配到电阻矩阵中； 在每个在每个VDD的的I/O引脚上将引脚上将VDD源应用到矩阵；源应用到矩阵； 利用静态矩阵解决方案计算流经电阻矩阵的电流和利用静态矩阵解决方案计算流经电阻矩阵的电流和IR压降。压降。电源分配系统设计电源分配系统设计 动态电源网格分析法动态电源网格分析法 动态电源网格分析法不仅要求提取电源网格的寄生电阻，动态电源网格分析法不仅要求提取电源网格的寄生电阻，还要求提取寄生电容，并要完成电阻还要求提取寄生电容，并要完成电阻RC矩阵的动态电路仿矩阵的动态电路仿真。真。 动态电源网格分析法的典型步骤：动态电源网格分析法的典型步骤： 提取电源网格的寄生电阻和电容；提取电源网格的寄生电阻和电容； 提取信号网络的寄生电阻和电容；提取信号网络的寄生电阻和电容； 提取设计网表；提取设计网表； 根据提取的寄生电阻、电容值和网表生成电路网表；根据提取的寄生电阻、电容值和网表生成电路网表； 依据仿真向量集执行电路仿真，主要仿真晶体管或门的动态依据仿真向量集执行电路仿真，主要仿真晶体管或门的动态转换以及该转换对电源网格的影响。转换以及该转换对电源网格的影响。 电源分配系统设计电源分配系统设计动态电源网格分析法的局限性：动态电源网格分析法的局限性： 寄生提取要求非常高，因为需要提取电源网格的电阻和电容以及寄生提取要求非常高，因为需要提取电源网格的电阻和电容以及信号网络的电容。信号网络的电容。 电路仿真的对象非常多，会使电路仿真引擎满负荷工作。电路仿真的对象非常多，会使电路仿真引擎满负荷工作。 用做激励信号的向量集在决定输出质量时起着重要的作用。如果用做激励信号的向量集在决定输出质量时起着重要的作用。如果没有采用完整的测试向量集，那么结果将是令人怀疑的，因为电没有采用完整的测试向量集，那么结果将是令人怀疑的，因为电源网格的某些部分可能没有被仿真到。源网格的某些部分可能没有被仿真到。 最后，由于单个电源网格就有如此多的考虑因素，基于全面动态最后，由于单个电源网格就有如此多的考虑因素，基于全面动态仿真的电源网格分析法将难以适应设计规模的进一步增加。仿真的电源网格分析法将难以适应设计规模的进一步增加。电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计l 叠层对电源分配系统的影响叠层对电源分配系统的影响 多层板和覆铜层多层板和覆铜层 多层板在设计中和普通的多层板在设计中和普通的PCB相比，除了添加了必要的信号走线相比，除了添加了必要的信号走线层之外，最重要的是安排了独立的电源和地层层之外，最重要的是安排了独立的电源和地层(敷铜层敷铜层)。在高速数字。在高速数字电路系统中，使用电源和地层来代替以前的电源和地总线的优点在电路系统中，使用电源和地层来代替以前的电源和地总线的优点在于：于： 为数字信号的变换提供了一个稳定的参考电压。为数字信号的变换提供了一个稳定的参考电压。 将电源同时均匀地加在每个逻辑器件上。将电源同时均匀地加在每个逻辑器件上。 有效地抑制信号之间的串扰。有效地抑制信号之间的串扰。电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计 高频下地平面层对信号的影响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。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。层相对应。 图9.7 低频下与高频下的回流路径电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计 叠层数影响因素叠层数影响因素 性能和成本是决定叠层数的两个重要指标，通常设计人员都必须性能和成本是决定叠层数的两个重要指标，通常设计人员都必须在这二者之间进行折中选择。在这二者之间进行折中选择。 叠层设计建议遵循的原则叠层设计建议遵循的原则 (1) 敷铜层最好要成对设置，比如六层板的敷铜层最好要成对设置，比如六层板的2，5层或者层或者3，4层要层要 一起敷铜，这是考虑到工艺上平衡结构的要求，因为不平衡的敷铜层一起敷铜，这是考虑到工艺上平衡结构的要求，因为不平衡的敷铜层可能会导致可能会导致PCB的翘曲变形。的翘曲变形。 (2) 信号层和敷铜层要间隔放置，最好每个信号层都能至少和一个信号层和敷铜层要间隔放置，最好每个信号层都能至少和一个敷铜层紧邻。敷铜层紧邻。 (3) 缩短电源和地层的距离，有利于电源的稳定和减少缩短电源和地层的距离，有利于电源的稳定和减少EMI。 (4) 在很高速的情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建在很高速的情况下，可以加入多余的地层来隔离信号层，但建议不要多加电源层来隔离，这样可能造成不必要的噪声干扰。议不要多加电源层来隔离，这样可能造成不必要的噪声干扰。电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计l 几种典型的叠层设计方案几种典型的叠层设计方案(1) 四层板四层板 电源电源信号信号信号信号地地 地地电源电源信号信号地地(2) 六层板六层板 信号信号地地信号信号信号信号电源电源信号信号 信号信号地地信号信号电源电源地地信号信号(3) 十层板十层板 信号信号信号信号地地信号信号信号信号信号信号信号信号电源电源信号信号信号信号 信号信号地地信号信号信号信号电源电源地地信号信号信号信号地地信号信号电路板中电源系统设计电路板中电源系统设计l PCB上电源分配系统设计规则上电源分配系统设计规则当心电源层割缝当心电源层割缝地线电缆的有效性地线电缆的有效性分离模拟电源平面与数据电源平面分离模拟电源平面与数据电源平面避免重叠分离的板平面避免重叠分离的板平面隔离敏感元件隔离敏感元件将电源总线靠近信号线将电源总线靠近信号线20H规则规则