電源完整性分析

一、電源噪聲重要性

??芯片內部有成千上萬個晶體管，這些晶體管組成內部的門電路、組合邏輯、寄存器、計數器、延遲線、狀態機、以及其他邏輯功能。隨著芯片的集成度越來越高，內部晶體管數 越來越大。芯片的外部引腳數有限，為一個晶體管提供單獨的供電引腳是不現實的。芯 片的外部電源引腳提供給內部晶體管一個公共的供電節點， 因此內部晶體管狀態的轉換必 然引起電源噪聲在芯片內部的傳遞。
??對內部各個晶體管的操作通常由內核時鐘或片內外設時鐘同步， 但是由于內部延時的 差別，各個晶體管的狀態轉換不可能是嚴格同步的，當某些晶體管已完成了狀態轉換，另 一些晶體管可能仍處于轉換過程中。芯片內部處于高電平的門電路會把電源噪聲傳遞到其 他門電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門電路此時處于電平轉換的不定態區域，那么電 源噪聲可能會被放大，并在門電路的輸出端產生矩形脈沖干擾，進而引起電路的邏輯錯誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過內部門電路的傳播，還可能會觸發內部寄存器產生狀態轉換。
??除了對芯片本身工作狀態產生影響外，電源噪聲還會對其他部分產生影響。比如電源噪 聲會影響晶振、PLL、DLL 的抖動特性，AD 轉換電路的轉換精度等。由于最終產品工作溫度的變化以及生產過程中產生的不一致性，如果是由于電源系統產生的問題，電路將非常難調試，因此最好在電路設計之初就遵循某種成熟的設計規則，使電源系統更加穩健。

二、電源噪聲產生的原因

??第一，穩壓電源芯片本身的輸出并不是恒定的，會有一定的波紋。這是由穩壓芯片自身決定的，一旦選好了穩壓電源芯片，對這部分噪聲我們只能接受，無法控制。
??第二，穩壓電源無法實時響應負載對于電流需求的快速變化。穩壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化，調整其輸出電流，從而把輸出電壓調整到額定輸出值。多數常用的穩壓源調整電壓的時間在 ms~us 級。因此，對于負載電流變化頻率在直流到幾百 KHz 之間時，穩壓源可以很好的做出調整，保持輸出電壓的穩定。當負載瞬態電流變化頻率超出這一范圍時，穩壓源的電壓輸出會出現跌落，從而產生電源噪聲?，F在，微處理器的內核及外設的時鐘頻 率已超過了 600 MHz，內部晶體管電平轉換時間下降到 800 ps以下。這要求電源分配系統必須在直流到 1GHz 范圍內都能快速響應負載電流的變化，但現有穩壓電源芯片不可能滿足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補償穩壓源這一不足，這涉及到后面要講的電源去耦。
??第三，負載瞬態電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產生的壓降。PCB板上任何電氣 路徑不可避免的會存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線。對于多層板，通常提供 一個完整的電源平面和地平面，穩壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流電源平面，到達負載電源引腳。地路徑和電源路徑類似，只不過電流路徑變成了地平面。完整平面的阻抗很低，但確實存在。如果不使用平面而使用引線，那么路徑上的阻抗會更高。另外，引腳及焊盤本身也會有寄生電感存在，瞬態電流流此路徑必然產生壓降，因此負載芯片電源引腳處的電壓會隨著瞬態電流的變化而波動，這就是阻抗產生的電源噪聲。在電源路徑表現為負載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷， 在地路徑表現為負載芯片地引腳處的電位和參考地電位不同 （注意，這和地彈不同，地彈是指芯片內部參考地電位相對于板級參考地電位的 跳變）。

三、退耦電容使用

??對于電容的安裝，首先要提到的就是安裝距離。容值最小的電容，有最高的諧振頻率， 去耦半徑最小，因此放在最靠近芯片的位置。容值稍大些的可以距離稍遠，最外層放置容值 最大的。但是，所有對該芯片去耦的電容都盡靠近芯片。
??在放置時，最好均勻分布在芯片的四周，對一個容值等級都要這樣。通常芯片在設計的時候就考慮到了電源和地引腳的排列位置，一般都是均勻分布在芯片的四個邊上的。因此，電壓擾動在芯片的四周都存在，去耦也必須對整個芯片所在區域均勻去耦。
??在安裝電容時，要從焊盤拉出一小段引出線，然后通過過孔和電源平面連接，接地端也 同樣。這樣流電容的電流回路為：電源平面->過孔->引出線->焊盤->電容->焊盤->引出>過孔->地平面（放置過孔的基本原則就是讓這一環路面積最小，進而使總的寄生電感最?。?。
??由于印制線越寬，電感越小，從焊盤到過孔的引出線盡加寬，如果可能，盡和焊盤寬度相同。這樣即使是 0402 封裝的電容，你也可以使用 20mil 寬的引出線。
??需要強調一點：有些工程師為了節省空間，有時讓多個電容使用公共過孔。任何情況下都不要這樣做。最好想辦法優化電容組合的設計，少電容數。

四、總結

??電源系統去耦設計要把引腳去耦和電源平面去耦結合使用已達到最優設計。時鐘、 PLL、 DLL 等去耦設計要使用引腳去耦，必要時還要加濾波網絡，模擬電源部分還要使用磁珠等進 行濾波。針對具體應用選擇退耦電容的方法也很流行，如在電路板上發現某個頻率的干擾較 大，就要專門針對這一頻率選擇合適的電容，改進系統設計?？傊?，電源系統的設計和具體 應用密切相關，不存在放之四海皆準的具體方案。關鍵是掌握基本的設計方法，具體情況具 體分析，才能很好的解決電源去耦問。

審核編輯 黃宇