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电源完整性分析及其应用

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http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 电源完整性分析及其应用 ■ 南京林业大学信息科学技术学院 宋军 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。 负载电容的增大、 负载电阻的减小、 地电感的增 大、 开关器件数目的增加均会导致 SSN 的增大。 要抑制 SSN, 应首先知道该噪声的大 小与哪些变量有关。 由噪声产生机理不难得出, SSN 和电路的寄生电感及瞬态电流的变 化速率成正比 : 其中, L 是器件电路的总等效电感 ;IΣ为器件多个管脚同时触发的电流之和;tÆ为触发 时间。所以,减小 SSN,可采取以下措施: http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 (1) 增大信号的转换时间。 例如一些 ASIC 有快速和慢速工作模式,可采用其中的慢速工作 模式来增大信号的转换时间。 (2) 合理的安排电源/地管脚。对于接插件而言,应该比较均匀的分配电源和地管脚,这样电 流可以相对均匀的流到各个地管脚 ;对于一些采用 QFP、BGA 等封装形式的芯片,同一 类型的电源或地( 如都是数字地) 管脚一般都不止一个,尽管这些管脚在内部逻辑上都是连 通的,但安排芯片的电源时,应当将同一类型的电源或地等价对待。 (3) 使用去耦电容。将电容尽可能靠近有源电路放置,可以减小 SSN 噪声。在设计中为了有 效的抑制 SSN 噪声,倾向使用自激频率比较高、高 Q 值的中等电容分布于整个模块。图 1 给出了去耦电容的参考配置。 用电感/磁珠隔离的电源两侧都需要双电容滤波, 且为对称的Π型。这是因为,根据阻抗公 式,用向量表示的正弦稳态电路中电容的阻抗为 : 其中 Xc 为容抗。 显而易见, 容抗与频率成反比。 因此较小的电容可以有效滤除高频谐 波,较大的电容可有效滤除低频谐波。图 1 中, 右端电容应靠近有源电路(如芯片),而不 是靠近电感/磁珠, 或者至少将 C2 靠近有源电路,这主要是为了防止有源电路产生的谐波 干扰反串到电源端。当然,以上电容配置都仅仅是参考值,实际中应根据系统的工作频率适 当选择电容,以使电源的滤波效果满足要求。 (4) 使用差分信号线传输信号从而可以抑制流过寄生参数器件的电流。 回流噪声 只有构成回路整个电路才能工作,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,为此,一般会选择与之相近的平面。由于电平面的(包括电源和地)分割,例如地层被 分割为数字地、模拟地等,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。此 时一般应采取电感/ 磁珠隔离电平面和 20H 原则。 在信号速率很低时, 回流沿电阻最小的通路;当速率较高时回流则沿电感最小的通路, 这 样使用电感/磁珠隔离可有效避免电平面之间的串扰。通常在 PCB 设计中,返回通路位于接 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 地层上, 当回流到达驱动元件时,旁路电容会提供通向正确电压层的通路。为了维护良好 的信号质量,需要提供一个干净的畅通无阻的返回通路。有几条针对各层的简单规则要遵守: 各层要尽可能连续, 放置过多的隙孔可能会导致回流沿着非最优通路传播;在接地层必须 避免铜皮断裂带,如果时钟信号线路在铜皮断裂带上方通过,这个断裂带将导致时钟的返回 通路电流绕着断裂带返回,这将增加通路的电感并减少信号线路上时钟脉冲的上升时间,同 时还将增大串扰的可能性。 所谓 20H 原则就是相对地平面,电源平面需要缩进 PCB 板 20 倍厚度的距离进行布线;同 样,对于信号走线,也适用 20H 原则,即在参考平面(电源或地)内也需要缩进 20H 再布线, 这 样 可 有 效 衰 减 70% 的 边 缘 场 辐 射 强 度 。 该 原 则 如 图 2 、 3 、 4 所 示 。 图 2 中,电源平面和地平面的布局尺寸相同,在这种情况下,容易引起噪声,并破坏电源完 整性。图 3 和图 4 是考虑 20H 原则的正确示意图。 断点 断点即信号线上阻抗突然改变的点。 当用过孔将信号输送到电路板的另一侧时, 板间的垂 直金属部分既是不可控阻抗,这样的部分越多,线上不可控阻抗的总量就越大,从而会使反 射也越大。同时,从水平方向变为垂直方向的 90°拐点是一个断点,也会产生反射。如果 这样的过孔不能避免,那么就尽量减少它的出现。 http://www.elecfans.com 电子发烧友 http://www.elecfans.com/soft/ 电子资料 结语 目前, 对电源完整性的研究还很不成熟, 很多问题包括理论分析和实践应用, 都有待解 决。 比如目前每一种仿真工具都有其局限性,因此只能依靠工程师的现场经验。而且观念 问题也亟待解决:不是有了仿真工具 , 就一定能做好高速 PCB 设计。基于电源完整性的一 体化设计是一种全新的设计观念, 电源完整性分析不是要找到一个完美的解决方案, 而是 找到一个满足约束的设计空间。 从这个意义上来说符合规则的设计才是好的设计。 更多电源完整性资料请戳: http://www.elecfans.com/zhuanti/PI.html

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