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PCB设计电源完整性及电源噪声分析

time : 2019-08-24 10:09       作者:凡亿pcb

在PCB设计中,给信号提供一个稳定的电压以及合适的电压分配是电源系统设计中的两个基本目标。随着信号完整性问题的出现,反射、串扰等都会影响到电源系统的稳定,再加上芯片工作电压的不断减小,电源的波动性将会影响系统的正常工作。电源完整性分析,就是为了保证PCB中有一个稳定可靠的电源供应。
 
电源完整性分析概述
电源完整性就是指系统中电源波形的质量。随着IC输出开关速度的提高,信号的边沿速率即信号上升和下降的时间迅速缩减,电源线由于它的寄生电感承受着不小的电压降。对于小于1ns的信号边沿速率,会造成PCB上电源层与地层间的电压在电路板的各处不同,从而影响到芯片供电的稳定性,甚至会导致芯片的逻辑
 
造成电源系统不稳定的因素表现为同步开关噪声、非理想电源阻抗影响、谐振及边缘效应。一般情况下,同步开关噪声是电源噪声的主要来源。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,器件的参考地已不再是零电平,因此,驱动端要发送的地电平会出现相应的干扰波形,干扰波形的相位与地面噪声相同,对于开关信号波形来说,地噪声的影响会导致信号的下降沿变缓;在接收端,信号的波形同样会受到地噪声的干扰,但干扰波形的相位与地面噪声相反。另外,在一些存储元器件中,有可能因为电源噪声和地噪声造成数据的意外翻转。
 
在高频电路中,电源平面存在大量寄生参量,这些寄生参量可以看成是由很多电感和电容构成的LC谐振网络,或谐振腔。在某一确定的频率下,这些电容和电感将发生谐振现象,从而影响电源层的阻抗。除了谐振效应,电源平面和地平面的边缘效应也是电源设计中需要注意的问题,这里的边缘效应指边缘反射和辐射现象。电路板边缘覆铜面大小受到限制,故容易产生电磁干扰问题。工程中通常添加去耦电容,以减小边缘的辐射效应,达到抑制电源平面噪声的目的。
 
同步开关噪声
同步开关噪声(SSN)主要由伴随着器件的同步开关输出产生。开关速度越快,瞬间电流变化越显著,电流回路上的电感越大,则产生的同步开关噪声越严重。由此可见,同步开关噪声的大小取决于集成电路的I/O特性、PCB板电源平面和地平面的阻抗,以及高速器件在PCB上的布局和布线方式。
 
根据回流路径的不同,同步开关噪声可分为芯片外开关噪声和芯片内开关噪声。芯片外开关噪声是指信号开关引发的电流回流经过信号线、电源/地平面时产生的噪声;如果开关状态转变时,电流的回流路径经过电源和地,而不是信号线,此时的噪声为芯片内开关噪声。减小芯片内开关噪声主要通过减小开关信号流经路径的电感或减缓开关信号的变化速率减小感应电压来实现。减小芯片外开关噪声可以通过降低芯片内部驱动器的开关速率和同时开关的数目,采用能满足时序要求的最慢边沿速率的芯片;或通过降低封装回路电感,增加信号和电源与地的耦合电感;也可在封装内部使用旁路电容,让电源和地共同分担电流回路,减小回流路径的等效电感。
 
电源分配设计
电源噪声在很大程度上源于非理想的电源分配系统。电源分配系统就是给系统内的所有器件提供足够的电源,这些器件不但需要足够的功率损耗,同时对电源的平稳性也有一定的要求。因为实际电源平面总存在着阻抗,在有瞬间电流通过时,就会产生电压降,从而导致电源的波动。大部分器件对电源波动的要求在正常电压的±5%范围内。为了保证每个器件都能正常工作,应该尽可能的降低电源平面的阻抗。在工作频率比较高的情况下,既要计算电阻的直流阻抗,还要计算由电感引起的交流阻抗。在对电源阻抗进行控制时,可通过采用电阻率低的材料,采用短而粗厚的电源线,减小电源内阻,电源尽量靠近地,使用去耦电容等方法,以减小电源的电阻和电感,从而降低电源阻抗。