電源完整性問題是指什么？電源完整性分析

電源的作用是為系統提供穩定的電壓及電流。電源完整性問題是指電源的電壓、紋波及噪聲不滿足系統的工作要求，通過合理的電源供電網絡設計可以減小電源塌陷等電源完整性問題，提高系統的穩定性。

1.電源分配網絡

電流從供電模塊輸出，流經PCB板、芯片封裝，最終到達負載芯片給其供電的完整供電路徑稱之為電源分配網絡(PDN)，除此之外，它還包含有大量PCB板及芯片封裝上的去耦電容。即電源分配網絡是電流所經過的所有結構和器件組成的系統，如下圖所示。

在上圖所示的電源分配網絡中，電流從電源模塊(VRM)輸出后經PCB板上的走線、過孔等結構，通過BGA焊球到達芯片封裝，然后經過芯片封裝上的走線，進入到封裝內部的Die上，給芯片進行供電，其路徑中還包括電阻、去耦電容、電感等無源器件。走線、過孔、電阻和去耦電容等都會給電源供電網絡帶來寄生電感、寄生電容和寄生電阻的影響，導致電源供電網絡并不是理想的供電網絡。另外，芯片內部的開關速度變得越來越高，供電電壓變得越來越低，其對電源配送網絡的設計提出了更高的要求。

2.同步開關噪聲

在高速數字電路中，當數字集成電路加電工作時，它內部的門電路輸出會發生從高到低或者從低到高的狀態轉換，這時會產生一個瞬間變化的電流△i，這個電流在流經回流路徑上存在的電感時會形成交流壓降，從而引起噪聲，當同時發生狀態轉換的輸出緩沖器較多時，這個壓降將足夠大，從而導致電源完整性問題，我們將這種噪聲稱為同步開關噪聲(SSN)，也叫△i 噪聲。

同步開關噪聲主要是伴隨著器件的同步開關輸出(Simultaneous Switch Output，SSO)而產生，開關速度越快，瞬間電流變化越顯著，電流回路上的電感越大，則產生的SSN越嚴重?；竟綖椋篤SSN=NLLoop(di/dt)，其中N是同時開關的驅動器的數目，LLoop為整個回流路徑上的電感，i是每個驅動端的電流，而VSSN就是同步開關噪聲的大小。這個公式看起來簡單，但真正分析起來卻不是那么容易，因為不但需要對電路進行合理的建模，還要判斷各種可能的回流路徑，以及分析不同的工作狀態。

同步開關噪聲的產生可以通過下圖所示的原理圖來解釋，其中，封裝模型包括自身的電感和封裝之間的互電感(互電感沒有在圖中標出)，由于電阻對開關噪聲的影響很小，為了簡化討論，這里忽略其影響，系統的接收器用電容表示。

我們可以將同步開關噪聲分為兩種：芯片內部(on-chip)開關噪聲和芯片外部(off-chip)開關噪聲。當驅動器3開關輸出，驅動器1作為接收端時，產生的噪聲稱為芯片內部開關噪聲；當驅動器1或驅動器2開關輸出，將信號傳輸到系統的接收器時，產生的噪聲稱為芯片外部開關噪聲。兩種情況下封裝電感的影響各不相同。

2.1芯片內部開關噪聲

在上圖中，當驅動器3跳變時，它必須對驅動器1的輸入電容進行充放電。驅動器3由高電平到低電平轉換時的電流路徑如下圖所示，驅動器3對驅動器1下方的電容進行放電，放電回路如虛線所示，電流完全在芯片內部，不會產生互連噪聲；同時對驅動器1上方的電容充電，充電回路如實線所示。驅動器3出低到高轉換時，驅動器主上方的電容被放電，同時下方的電容被充電，電流路徑不變。

上圖中，充電電流流經了封裝中電源引腳電感Lp和地引腳電感Lg，而沒有流經信號線電感L1和L2。由于Lp和Lg上通過的電流是反向的，所以封裝總電感為：L=Lp+Lg-2Mpg，其中Mpg指Lp和Lg之間的互感。由于封裝電感L和系統電源電感Ls上產生壓降，則芯片實際得到的電源電壓為：

因而，在開關的瞬間，加在芯片上的電源電壓會下降，隨后圍繞Vs呈現阻尼振蕩。

要將供電下降限制到最小，需要通過減小電感或者電流變化速率來減小感應噪聲，通?？梢圆扇〉拇胧┯校?/p>

⑴降低芯片內部驅動器的開關速率以減小di/di，但是當需要獲得很高的時鐘頻率時，這種方法不可取。

(2)使用電源平面和地平面，并讓電源平面和地平面盡量接近以獲得最小的系統電源供電電感Ls。

(3)增加電源/地的管腳數目，縮短電源/地的管腳引線長度，以降低芯片封裝中的電源和地路徑的電感。

(4)電源和地管腳應成對分布并盡量靠近放置,以增加封裝中電源和地路徑的互感，從而減小封裝總電感。

(5)給系統電源增加旁路電容，在此情況下驅動器3由高電平到低電平轉換時的電流路徑如下圖所示，旁路電容可以給高頻的瞬變交流信號提供低阻抗的旁路，而變化較慢的信號仍然走系統電源回路，因此產生的噪聲電壓變小。

(6)在芯片封裝內部使用旁路電容，這樣高頻電流的回路電感會非常小，能在很大程度上減小芯片內部的同步開關噪聲。

2.2芯片外部開關噪聲

驅動器1出高電平到低電平轉換時的電流路徑如下圖所示，驅動器1對進行放電，放電回路如虛線所示，同時對進行充電，充電回路如實線所示，充、放電電流都是從封裝的地引腳流出，從信號線流回，不經過電源引腳；反之，驅動器1由低電平到高電平轉換時，充、放電電流都是從信號線流出，從封裝的電源引腳流回，不經過地引腳。

上圖中，不考慮系統電源電感Ls，僅封裝電感造成的電壓降為：

所以，這時芯片地和系統地并不是保持同樣的零電位，而是存在Vgb的電壓波動，這種情況我們稱之為地彈(Ground Bounce)。同樣，低電平到高電平轉換時，由于感應電壓的影響，芯片內電源電壓將低于系統電源電壓，我們稱之為電源反彈。

要減小地彈，可采取以下幾種方法：

(1)降低驅動器的邊沿速率，滿足時序要求的最慢邊沿速率將產生最小的噪聲。

(2)減小封裝回路電感，即減小自感或者增大互感。

(3)在芯片封裝內部使用旁路電容，在這種情況下驅動器1從高電平到低平轉換時的電流路徑如下圖所示，增加了額外的充電回路，封裝的電源引腳和地引腳共同分擔充電電流回路，從而減小電壓波動。

對于電源反彈，可以采用類似的分析方法和抑制措施。

審核編輯：劉清