高速PCB的电源完整性分析.pdf

《高速PCB的电源完整性分析.pdf》由会员分享，可在线阅读，更多相关《高速PCB的电源完整性分析.pdf（8页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、高速P C B 的电源完整性分析申伟，唐万明，王杨(重庆大学计算机学院重庆4 0 0 0 3 0)摘要：随着微电子技术的不断发展高速信号的上升沿越来越快，电源完整性已经成为高速互逢系统设计中不可忽略的问题。借助C a d e n c e 公司S Q P I 仿真软件，对高速P C B 进行电源完整性分析，可以指导并优化电源分配系统(P D S)设计，从而在设计阶段解决电源完整性问题。根据电源完整性问题的形成机理、影响因素，阐述了高速P C B 电源完整性解决办法。对电源分配系统设计具有指导作用。关键词：电源完整性；电源分配系统；同步开关噪声；退耦电容中图分类号：T N 8 6文献标识码：A文章

2、编号：1 0 0 4 3 7 3 X(2 0 0 9)2 4 2 1 3 0 6A n a l y s i so fP o w e rI n t e g r i t yf o rH i g h s p e e dP C BS H E NW e i，T A N GW a n m i n g，W A N GY a n g(C o l l e g eo fC o m p u t e rS c i e n c e，C h o n g q i n gU n i v e r s i t y，C h o n g q i n g 4 0 0 0 3 0，C h i n a)A b s t r a c t：W

3、i t ht h ed e v e l o p m e n to fm i c r o e l e c t r o n i c st e c h n o l o g y，t h er i s ee d g eo fh i g h s p e e ds i g n a li sm o r ef a s t P o w e ri n t e g r i t yh a sb e c o m ea np r o b l e mw h i c hc a nn o tb en e g l e c t e di nd e s i g no fh i g hs p e e di n t e r c o n n

4、 e c t i o ns y s t e m I tc a ng u i d ea n do p t i m i z et h ed e s i g no fP o w e rD i s t r i b u t i o nS y s t e m(P D S)b yu s i n gS Q P Is i m u l a t i o ns o f t w a r eo fC a d e n c eC o m p a n y，a n da n a l y s ep o w e ri n t e g r i t yo nh i g h s p e e dP C B A n di tc a ng i

5、v es o l u t i o nf o rp o w e ri n t e g r i t yi nt h ed e s i g np h a s e B a s e do nt h ep r i n c i p l ea n di n f l u e n c ef a c t o r so fp o w e ri n t e g r a t i o n，t h es o l u t i o nf o rh i g h s p e e dP C Bp o w e ri n t e g r a t i o ni ss t u d i e d T h i si sv a l u a b l e

6、t Og u i d et h eP D Sd e s i g n K e y w o r d s：p o w e ri n t e g r i t y；p o r v e rd i s t r i b u t i o ns y s t e m；S S N；b y p a s sc a p a c i t o r随着时钟和数据信号频率的增高和高速互连设计密度的增大。良好的电源分配成为了P C B 设计的一个主要挑战。当大量开关同时快速切换状态时。会在电源分配系统上产生纹波噪声。这个噪声会对周围的高速设备造成干扰，有可能引发芯片的误动作，如果没有足够稳定的电源支持，高速元件的行为将是不可预测的。

7、于是电源完整性的研究分析也应运而生，电源完整性分析主要讨论和解决电源供给的稳定性问题。1电压波动的危害对于理想的电源分配系统(P D S)(见图1)，传输路径阻抗为零，在电源平面上任何一点的电位都是保持恒定并等于系统供给电压，而实际的电源分配系统由于各种噪声干扰的存在，电源分配系统上的电位会有波动，有时甚至很严重。影响系统的正常工作。电源不稳定的主要表现形式就是同步开关噪声(S S N)，是指高速开关器件状态切换时产生的瞬态交变电流在经过回流路径上存在的电感时，形成的交流压降，所以也称为i 噪声。由于S S N 造成芯片地和系统收稿日期：2 0 0 9 0 5 一1 6地不一致的现象称为地反弹

8、(G r o u n dB o u n c e)；由于S S N 造成芯片电源和系统电源不一致的现象称为电源反弹(P o w e rB o u n c e)，所以S S N 包括地反弹噪声和电源反弹噪声。a)理想电源分配系统(b)实际电源分配系统图l电源分配系统在图2(a)中，驱动端发送的低电平受到地弹噪声的影响，在低电平上会出现相位与地弹噪声相同的噪声波形；在图2(b)中，驱动端发送的开关信号受到地弹噪声的影响。导致开关信号下降沿变缓。低电平信号开芙信号下降沿变缓一禽伊_ L 仑铲铲I)C o)图2 地弹噪声对驱动端信号的影响2 1 3躲咋删万方数据旦|囝囫【一虫叠董；童蓬竺堡塑鱼潼塞鍪壁坌

9、堑在图3(a)中。由于参考地上的地弹噪声，使得接收到低电平信号上出现相位与地弹噪声相反的噪声波形；在图3(b)中，如果电源反弹噪声的相位与地反弹噪声相反，会使高电平信号上噪声波形幅度加倍，严重时造成数据翻转。竺号命、卜竺挚气一坛铲一嚆1小小打开。A 是带频率补偿的放大器，使用参考电压来监测负载电压。当负载电压太高时，它利用开关和电感来降低电流。电压调节行为是非线性的，因为开关的打开和闭合与时间有关。对于良好的P D S 设计，非常希望有线性的V R M 模型。S Q P I 仿真工具运用四个参数对V R M 的行为建立S P I C E 模型如图5 所示。其中，R。为V R M 的输出电阻。L

10、。为V R M 的输出电感，Rn a t 为V R M 的等效串联电阻，L。l。为V R M 的输入电感，有内部晶体管特性决定，可以根据V R M 的技术参数对其进行估算，如果V R M 可以在时间t 内使电流上升到i，则：JJ L s l e。一V 半=(砜。p p l，V R T)等2电源分配系统的设计要求4电源地平面电源分配系统设计的关键是使P D S 的阻抗在一定频率范围内控制在目标阻抗以内，目标阻抗的表达式为：。=警式中：V s。p p l，是工作电压；V R T 是电压纹波容限；f|)y i。是系统的动态电流。P D S 阻抗保持在目标阻抗以下的频率范围应取到信号的屈膝频率(F k

11、 一=0 5 T，)，因为截止频率代表了数字电路中能量最集中的频率范围，超过F。的频率对数字信号的能量传输没有影响。在P C B 板上，电源分配系统由电源模块、电源地平面、退耦电容组成。它们分别在不同的频率范围内做出响应。目标阻抗可以通过在目标频率范围内仔细考虑开关电源，退耦电容以及电源一地平面对等因素来实现。3 电压调节模块(V R M)电压调节模块是P C B 供电的源端，转换一个D C电压到另一个D C 电压。V R M 使用一个参考电压和反馈回路来监测负载电压从而调节输出电流，其原理如图4 所示。图4电压调节模块示意图图4 中，V i。为输入电压，假设恒定不变。当开关s。闭合时，电感L

12、，开始储存能量并向负载输送电流。如果L，上的电流超过负载需求，s。将打开，S。将闭合，电流继续向负载输送，并不断减小，直到S、重新闭合，S：2 1 4在中低频时，电源地平面对可当作一个理想电容来看待，其E S R 和E S L 都很小。在频率达到某一个高频段时，电源地平面对变成了一个谐振腔。等效为R L C 串并联电路，在谐振频率点附近，平面对的阻抗变得很大，从而引发电源完整性问题。电源地平面的等效模型如图6 所示。图5V R MS P I C E 模型图6电源地平面的等效模型对电源地平面的谐振特性可以通过建模仿真来分析。如图7 所示。5S S N 分析图7电源地平面谐振曲线5 1S S N

13、的计算同步开关噪声伴随着器件的同步开关输出(S S O)而产生，开关速度越快、电流回路的电感越大，则产生的S S N 噪声越严重，其基本表达式为：mV s s N=：L 咖。(d i。d t。)j式中：m 是同步切换状态的开关数目；L。是回流路径上的电感；i。是单个开关的输出电流和穿透电流之和；t。是开关状态切换时间。万方数据对于实际的电路系统，同步切换的开关数目难以确定，各种可能的回流路径难以判断，此外，近距离的互连线之间的耦合也可能增加回路电感，从而加剧S S N噪声。5 2输出缓冲器S S N 的形成以C M O S 芯片为例，其输出缓冲器是由P M O S 管和N M O S 管组成的

14、开关，基本电路结构如图8 所示。图8 输出缓冲器模型结构图8 中，V。是管脚供电，L r 是电源管脚寄生电感，L G 是地管脚寄生电感，C。是硅晶元电容，它是不包括封装参数的总的输出电容，L m 和C p k g 分别是由封装带来的寄生电感和寄生电容。芯片是靠系统供电的，芯片内部所有的级联驱动器是靠系统提供电流的，所以在芯片内部不存在完整的回流路径。电流总是从系统电源出发，从电源管脚流进芯片，从地管脚流出回到系统地，如图9 所示。图9 输出缓冲器电流示意图图9 中，L。，是系统电源电感，L s G 是系统地电感，f，是电源管脚电流，如是地管脚电流。其基本工作原理是当输入U，N=0V 时，T x

15、 截止。T r 导通，输出U。一V c c；当输入U 加=V c x：时，丁N 导通，T P 截止，输出U。一0V。S S N 噪声就产生在输入、输出在0V 和K。之间跳变的过程中，输入输出电压和两管的漏极电流之间的关系如图1 0 所示，其中U t，和U T N 是T P 和T N的开启电压。由于芯片电源、地管脚和系统电源、地存在一定的寄生电感，会产生电压降，致使芯片电源、地管脚产生电压波动，其波形如图1 1 所示。当输出从低变高时，工，不仅要提供流经两个M O S 管的漏极电流b，还要给硅晶电容和负载电容充电，电流大些，电源管脚上的感应电压V r 也就大些；同样，当输出从高变低时。j G 中

16、包括流和硅晶电容和负载电容的放电电流，电流大些，地管脚上感应电压V。；也就大些。图1 0 输出缓冲器电压、电流传输特性曲线图1 1输出缓冲器电压曲线5 3S S N 的抑制办法电源反弹噪声不单是电源管脚的感应噪声电压，还包括系统电源的传输电感L。，上的感应噪声电压，其基本表达式为：V k N-P B=(L P+L s P)I d i同样，地反弹噪声不单是地管脚的感应噪声电压，还包括系统地的传输电感L S G 上的感应噪声电压，其基本表达式为：V s s N-G B 一(L G+L s G)i d i考虑含有输出缓冲器的系统电流回路，可以得出S S N 噪声的表达式为：V s s N=(L P+

17、L G 一2 L m)面d i+(L s P+L s G 一2 L s 蹦；)d a i z式中：L H；是电源管脚和地管脚的封装互感；L s P s G 是系统电源和地的传输互感。开关器件状态切换速度、开关数目和电流回路上的电感是影响S S N 的主要因素，然而今天芯片的发展方向是更密更快，从高速P C B 设计的角度来说，减小S S N的首要措施是减小回路电感：(1)在芯片的电源和地管脚上加退耦电容，为突变电流提供低电感的回路；2】5万方数据(2)尽量使用单独完整的电源层和地层，并尽可能大面积敷实心铜，还要让电源平面和地平面尽量靠近，以形成较大的平面电容，增强电源平面和地平面的耦合(互感)

18、，减小电源分配系统的电感。(3)电源、地管脚尽量就近扇出，走线尽量宽，若空间允许还可以增加扇出路径来减小外部引线电感。(4)动态功耗小的芯片会对C M O S 管的工艺和输出缓冲器的结构做改进，确保在互补晶体管导通之前关断另一个晶体管就可以实现穿透电流最小，一般在p A 级。6 退耦电容的应用6 1退耦电容特性退耦电容还相当于局部电源，为开关器件状态切换提供电流。芯片不必通过电源线从较远的电源中获取电流。退耦电容为高频突变电流提供低电感的回路，有效抑制了S S N 噪声，减小了电压波动。退耦电容不可能完全消除噪声，但是幅度明显减小，如图1 2 所示。图1 2 退祸电容效果理想的电容器没有寄生参

19、数，实际的电容器由于封装、材料等方面的影响，含有等效串联电阻E S R、等效串联电感E S L、绝缘电阻R，、介质吸收电容c d。和介质吸收电阻R 舢R，越大，泄漏的直流越小，性能越好，一般电容的R，在G Q 级以上。介质吸收的等效R C 电路反映了电容介质本身的特性，是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷。如图1 3 所示。图1 3电容的等效模型对电容的高频特性影响最大的是E S R 和E S L，在电源完整性分析中采用简化的电容模型。它其实是一个R L C 串联谐振电路，其等效阻抗和谐振频率为：Z=棚F F 霞刁F=可西刁历丁，f o 一1(2 7 c

20、L c)从上式可以看出，电容的阻抗与电路的频率有关，当处于谐振频率 时，电容阻抗为最低值E S R。电容的阻2 1 6抗特性曲线如图1 4 所示。图1 4 退耦电容阻抗特性曲线描述曲线的锐度可用品质因数Q 来表示：Q 一倒。(L R)一2 r f o(E S L E S R)一(1 E S R)、压觋式中，Q 值越大，阻抗随频率变化的越快，阻抗特性曲线越尖，频率的选择性越好，但电路的工作频率不会是一个点频率，而是一个频率段，所以在选择退耦电容时要利用电容寄生参数，根据仿真波形来确定，并不是Q值越大越好。在运用退耦电容时，所关心的是电容的谐振频率和电路工作频率下电容的阻抗，它们会受到容值C 和E

21、 S L 的调制，如图1 5 所示。图1 5 电容阻抗特性曲线调制效应综合以上分析，在进行P C B 设计时。要选择E S R较小、谐振频率和电路工作频率相近的退耦电容，在此基础上，容值较大，E S L 较小为好。在实际电路中，为使退耦电容在一定的工作频率范围内保持较低阻抗，通常采用大小电容并联的方法，且并联电容的容值相差两个数量级即1 0 0 倍。并联使得E S R 和E S L 减小。容值增大，退耦效果当然更好。N 个容值相同的电容并联，等效电容变为N C，等效电感变为E S L N，等效电阻变为E S R N，谐振频率作为电容的固有性质，保持不便，谐振曲线如图1 6 所示。两个不同值得电

22、容并联时，由于各自的自谐振频率不一样，当工作频率处于它们之间时，谐振频率较低的电容表现为感性，谐振频率较高的电容表现为容性，这就形成了一个L C 并联谐振电路，与L C 串联谐振电路不同，L C 并联谐振是电流谐振，当处于谐振状态时，电容和电感进行周期性的能量交换，L，C 上电流等值反向，从L，C 两端看进去呈高阻态，L，C 谐振电路和系统电源和地之间几乎没有电流。从对退耦电容的期望来看，这是反谐振现象，并联电容反谐振点上的高阻抗是万方数据电源完整性设计中应避免的。如图1 7 所示。图1 6 同值电容并联曲线图1 7 电容异值并联曲线如果E S R=0，那么反谐振点上的阻抗将无穷大，正是由于E

23、 S R 的存在，使得反谐振点上的阻抗不会是无穷大。自谐振点和反谐振点上的阻抗都会受到E s R的影响，如图1 8 所示。从图1 8 可以看出，自谐振点的阻抗随着E S R 的降低而减小，而反谐振点上的阻抗随着E S R 的降低而增大。所以，退耦电容的E S R 并不是越小越好，要根据滤波频段和阻抗要求综合考虑。采用多种不同容值的电容并联退耦藕，减小自谐振频率的相对差值，可以加宽滤波频段。降低反谐振点的影响，如图1 9 所示。图1 8E S R 对电容并联谐振曲线的影响6 2 退耦电容的放置图1 9多种异值电容并联谐振曲线在高速P C B 上放置退耦电容的基本原则是靠近电源管脚且确保安装电感尽

24、量小，安装在P C B 上的退耦电容如图2 0 所示。安装电感是包括焊盘、过孔、走线、平面对在内的电流回路的电感。在布置退耦电容时尽量减少焊盘与电源地连线的长度，使用宽的连线。如果空间允许的话，可以多打连接过孔，形成并联方式来降低电感；如果工艺允许的话，可以直接在焊盘上打过孔，这是降低电感的最好办法。如图2 1 所示。P a d。G N D图2 0 电容安装示意图图2 1电容安转趋势7电源完整性的仿真分析目前随着P C B 密度和速率的提高，电源分配系统设计将变得越来越复杂，经常造成欠设计(引起电源完整性问题)或过设计(增加系统的成本和复杂度)。因此，在设计高速P C B 电源分配系统时，利用

25、电源完整性仿真软件S p e c c t r a Q u e s tP I，对电路进行仿真，可以很好地避免欠设计与过设计，使系统满足要求。P C B 的叠层、电源地平面的外形是根据需求和实际情况在P C B 设计阶段完成定型的，一般不会随意更改。实际上P I 仿真的重点在滤波电容的选择与分布，对于既定的目标阻抗，S Q P I 可以根据电源地平面结构和欲使用的电容类型计算出每种退耦电容的数量需求，这时把整个P D S 当作集总系统来看待，退耦电容数量粗略且小于实际需求。在进行单节仿真时，可以根据仿真波形来调整退耦电容种类的选择。如对于某P D S，系统信号最高频率为1 0 0M H z，信号上

26、升沿为1n s，截止频率为5 0 0M H z，选择C A P X 7 R 一0 6 0 3 _ 1 N F，C A P X 7 R _ 0 6 0 3 1 0 0 N F，C A P X 7 R 一0 6 0 3 1 0 U F 作退耦电容，软件计算所需数量分别为1 1，1，l，可得单节点仿真波形如图2 2 所示。图2 2P I 单节点初步仿真曲线(A l l e g r o 软件截图)从图2 2 可以看出，退耦电容不满足目标阻抗的要求。为使P D S 性能满足系统要求，又能使系统的复杂度和成本最低，可以根据仿真波形加入谐振频率在P D S 阻抗曲线峰值的电容，并逐渐增加不同种类电容的数量，

27、使P D S 阻抗曲线刚好处于目标阻抗下方。越低当然越好，不过要以成本和系统复杂度为代价。针对如上波形，加入C A P X 7 R 一0 6 0 3 j 0 N F 和C A P X 7 R 一0 6 0 3 1 0 0 P F，并把不同容值的电容数量调整为：4 0 个1 0 0p F，1 8 个1n F，6 个l on F，2 个1 0 0n F 和2 个1 0p F，可得单节点仿真波形如图2 3 所示。单节点仿真可以确定退耦电容的容值和数量，但P D S 上各个区域的阻抗特性不仅取决于电容的容值和数量，还取决于电容的分布。在进行多结点仿真时，需要将电源平面划分成网格，网格之内的电源平面应属

28、于集总系统，退耦电容有效作用范围的直径为P C B 信号有效长度L 的1 6，欲使退耦电容有效作用范围覆盖整个电源平面，退耦电容的间距应小于有效半径L 1 2。为使仿真2】7万方数据旦整日团口叟堡董；重蕉旦竺旦笪鱼鎏显鳌壁坌堑更准确。网格尺寸应小于退耦电容的有效半径。如果系上的位置，如果位于P C B 边缘，对电路影响不大，不必统信号上升沿最快为1n s，则其有效长度为：过分考虑；如果位于功耗较大的芯片处就必须对此处，退耦电容的数量和位置进行调整，直到仿真波形符合扛T r D2 志25 6i n c h要求。那么网格尺寸最大为4 6 6r a i l。P h 嶂P 州棚f m mI 靳I n，

29、E R 2(：f s。N D【J R H _ D l-2、；一。I一i6_ T a r s e t。?砌二!I p c 抽l 一一一i _P I a，m h 帅_ m 叭也I S 6 P(m F R 2 11、J-【s-l,【州l，o 甜q 啊n 1 2、一T r 一抽 n*搿二?r “”I S 耵一x 5 5“5 2 y H l i l 晰盯一Z l(f)0 5 H y W A 铀甜x 1 6 M“v 3 1 4 Is 6 X 1 6 3 0 5 Y 0 3 9 33 9 10 d 甜x 口I G 5 9 5 Y I H i 0 耵X”l m i，-似j 0 i3 6 钉一一一x”i 0 5

30、 9 5 ，二1 1-s 耵一黜Y 2 4“)s 6 盯一x”m)y l l 10 6 町x877ya1299盯瑚8 7 口7 y 8 J 4 I5 6 s 7瑚”3 J q 6 甜9 5 0 9 0 9 Y l“删釉胛删X5950搴110I耵一F 5 9 5 0 8”5 1 4 IS 6 钉一X 5 5 0 4 5 2 Y S O n 9 l 崩研x 5 5 0 5 7 Y M 4 5 1 4 ls 6 盯X 5 0 4y 6，”3 9 I b 7一一Z I 5 d 4 y 1 4 0 1S 6 盯刮X0 3 0 5 M Y 4 4 2 9 8 9 i 蹦口X 1 6 5 2 4”5 j 4

31、 1 s 7卅2 7 I”r H 6 6 3 9 1 斟口凇7 l r 0 5 Yd I l H l 舶盯X 3 7 0 6 6 y 5 0 j ls 6 一X 3 7 9 0 6 0 6 Y 3“$1 1 辅甜一”V 3 9 口1 H 8 73 8 7 l$Im一7,4 0 7，n j 9-s 6s 7拊口 8”5 1 4 IS 6”X，9 v 6 6 ls 65 7x 5”0 8 0 9 y M l l 6 4 1 轴口一0 3 0$8 0 Y 1 3“s 甜一 5，r 1 4“目I g l一x 5 似5，y“”1 捌钶一X j r I4 lS 6 口一X 1 6 州d 4H 6 6“i

32、蚴X I 5 M y l I“l：6”X”1 0，”y 5 0 2 6 9 I 轴钉圳1 0 俐Y4 IS 69 7一x l c r j r-l#一X 7 眦y 1 4“口X n 蛐6 V u：，l 赫X”1，I X 4 9?L7 n y 删Ig,6 一一H$J 0 7 j；Y q l l“1S 6 口一x 5 9 川5 00 l9 6 矿一，口Iz H 1m 一9，0 S 0 9 Y 6 n j】目S 6”O，I H“I M 图2 4多结点仿真波形(A l l e g r o 软件截图)图2 4 中可以看出，0 5 0 0M H z 之间，波形都在目标阻抗以下，因此电容的选择和放置满足要求。

33、如果有波形超出目标阻抗，要观察波形所代表的网格在P C B8 结语随着高速、高密度成为P C B 设计趋势，为保证系统能够稳定工作，需要精心设计电路的P D S。在P C B 设计时抑制P I 问题的引发因素是十分重要的。P 1 分析工具采用建模仿真的方法来发现P I 问题，指导P D S 设计，可以有效缩短设计周期并且节约设计成本。P 1 分析工具并不会对P I 问题给出完整细微的解决方案，所以P C B 设计师在进行P D S 设计时，可以利用仿真工具进行电源完整性分析，但不能依赖于仿真工具，要充分发挥人的主观能动性，设计性能良好的P D S。参考文献 1 E r i cB o g a t

34、 i n 信号完整性分析 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 2 3 周润景C a d e n c eP C B 设计与制板 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 5 1-3 3H o w a r dJ o n s o n 高速数字设计 M 北京：电子工业出版社，2 0 0 6 4 3 王守三P C B 的电磁兼容设计、技巧和工艺 M 3 北京：机械工业出版社，2 0 0 8 E 5 C l a y t o nRP a u l 电磁兼容导论 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 6 6 汪蕙，王志华电子电路的计算机辅助分析与设计方法 M 北京：清华大学出版社，1 9 9 6 7 王成华，

35、王友仁，胡志忠电子线路基础教程 M 北京：科学出版社，2 0 0 3 i-8 3 顾海州，马双武P C B 电磁兼容技术 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 4 9 D o u g lB r o o k s 信号完整性问题和印制电路板设计 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5 1 0 S t e p h e nHH a l l，G a r r e t tWH a l l，J a m e sAM c C a l l 高速数字系统设计 M 北京：机械工业出版社，2 0 0 5 作者简介申伟重庆大学计算机学院，在读研究生，工程师。从事高速电路仿真设计工作。唐万明硕士，高级工程师、部门主管。从事

36、高速电路仿真设计工作。王杨工程师，解放军驻重庆军代表。从事军用装备产品质量管理工作。h，*，_ 一h，_，一一H F 一一_，4 h 一，h _ _ _ _ h _。_ 一H _ 1 m”m _，p，_ I _ _ _ 帅p 一I I p-一。一I p，_ _ 一，H I q p _ t I q”_-，。-I，一q-“-7 _。h，h。q h。h，4 2 1 8坝代电子技布(半月刊)欢避订阅0 2 9-8 5 3 9 3 3 7 6啪m。叭万方数据高速PCB的电源完整性分析高速PCB的电源完整性分析作者：申伟，唐万明，王杨，SHEN Wei，TANG Wanming，WANG Yang作者单位

37、：重庆大学,计算机学院,重庆,400030刊名：现代电子技术英文刊名：MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE年，卷(期)：2009，32(24)引用次数：0次 参考文献(10条)参考文献(10条)1.Eric Bogatin 信号完整性分析 20052.周润景 Cadence PCB设计与制板 20053.Howard Jonson 高速数字设计 20064.王守三 PCB的电磁兼容设计、技巧和工艺 20085.Clayton R Paul 电磁兼容导论 20066.汪蕙.王志华 电子电路的计算机辅助分析与设计方法 19967.王成华.王友仁.胡志忠 电子线路基础教程 200

38、38.顾海州.马双武 PCB电磁兼容技术 20049.Dougl Brooks 信号完整性问题和印制电路板设计 200510.Stephen H Hall.Garrett W Hall.James A McCall 高速数字系统设计 2005 相似文献(9条)相似文献(9条)1.学位论文 徐红波 高速通信系统中PCB板级电源分配系统对信号完整性影响的研究电源完整性 2005 本文从高速通信系统的PCB板级电源完整性分析入手：介绍了电源完整性的相关定义，分析了产生电源完整性问题的原因以及电源完整性问题对高速线路造成的影响。并着重分析了电源分配系统的同步切换噪声，地弹等现象；分析了旁路电容在解决电

39、源完整性问题中的重要作用；推导建立了组成电源分配系统的开关电源模块，电源、接地平面，和旁路电容的Spice模型；利用Cadence公司的SPECCTRAQuestTMPowerIntegrity设计仿真工具，将所建立的模型有效的应用到媒体网关产品A7XXX的媒体转换MCM控制模块的电源完整性分析中，对部分电源分配路径进行了优化设计；首次采用动态电子负载测量方法，自行设计了电源完整性模拟测试验证环境。通过对MCM控制模块的开关电源和控制电路板的电源完整性测试，验证分析了各种旁路电容对电源完整性的影响，并总结探讨了高速系统的电源完整性设计流程和方法。2.期刊论文 朱磊.王跃明.刘银年.ZHU Le

40、i.WANG Yueming.LIU Yinnian DDR SDRAM控制电路电源完整性研究-现代电子技术2006,29(24)高速数字电路对电源分配系统的可靠性和复杂性提出了很高要求.以DDR SDRAM控制电路为例,介绍电源分配系统的基本概念.采用基于系统目标阻抗的算法,用SPECCTRAQuest软件对电路的电源分配系统进行完整性仿真分析与设计.实践表明该方法不但可以设计出满足要求的电源分配系统,还能大幅提高设计效率,减少系统复杂度.3.学位论文 刘坤 基于手持设备中开关电源的电源完整性设计 2007 随着集成电路设计技术与加工工艺的进步以及低功耗的迫切需求，电路的工作电压越来越低，目

41、前一些用于手持设备的嵌入式系统的处理器核电压甚至已经达到了1V以下。同时，系统的时钟频率也在不断提高，以满足手持设备日益增加的多功能与高性能的要求。电路工作电压的降低必然导致对电源电压噪声的要求更加严格，与此同时，数字集成电路随着功能的增加和速度的加快，其工作时状态翻转的电流变化(I)增大，系统的带宽增加。I是电路板上产生电源电压噪声最主要的原因之一，所以，现代高速电路的电源系统设计正面临着越来越严峻的在更大带宽内保证低电源电压噪声的挑战。电源完整性(Power Integrity,PI)设计的目标就是指保证系统稳压电源在经过电源传输系统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，即控

42、制电源电压的噪声在一可接受的范围内。开关电源由于其高效率的优点，使得目前它在手持设备的主电源电路中获得广泛应用。本文以手持设备和开关电源为前提，以实现电源完整性为目标，进行电路板级的电源分配系统设计。首先详细介绍了应用于手持设备的各种电源管理技术及理论，并以此为基础进行电压变换电路的设计，设计内容包括开关控制器的分析，选型，无源器件的选型与电路设计，电路的PCB设计以及电源地层设计，然后采用目标阻抗法，利用Cadence公司的PI分析软件，对电源分配系统的各组件，即开关电源模块，电源/地层和旁路电容进行建模，通过仿真，分析最后完成设计。采用目标阻抗法的电源完整性仿真结果显示在整个系统的 500

43、MHz 的工作带宽内，1.35V 的VCC C电源系统阻抗小于所要求的目标阻抗225毫欧，3.3V的 VCC3 电源系统的阻抗小于330毫欧。最后通过设备工作在大负载切换情况下的实测得VCC C和VCC3中最大电源噪声分别为60毫伏和100毫伏左右，小于设备稳定工作所要求的5*VCC的电源电压噪声容限。本课题分析并实现的利用目标阻抗法对电源系统进行优化设计，能够与主流的电路板设计工具很好的结合，避免传统的电源系统设计中过份依靠芯片厂商提供的参考设计或仅凭工程师经验进行的不足，实现较佳的成本与性能的综合效益，同时对其他中小功率电子设备的电源系统的设计也具有借鉴意义。4.学位论文 贾琛 高速数字电

44、路中无源器件建模和电源完整性分析 2006 随着半导体工艺的发展，品体管尺寸越来越小，器件的信号跳变沿越水越快，高速数字电路设计领域中的信号完整性问题以及电源完整性问题变得日趋严重。信号完整性问题能导致或者直接带来信号失真、时序错误、不正确数据以及系统误工作甚至系统崩溃，因此对于高速系统，在没计的过程中必须充分由考信号完整性引起的问题。文本对高速数字电路设计中的信号完整性作了一定的分析与研究，主要内容包括：分析和研究高速数字电路设计中各种无源器件对信号完整性的影响以及它们的简单建模，因为电路建模仿真是寻找信号完整性问题解决方法的重要途径，在低频时候，可以将以上模型带入到SPICE电路中进行仿真

45、，简化分析步骤：分析产生电源完整性问题的原因以及电源完整性问题对高速线路造成的影响，并着重分析了电源分配系统的谐振、同步开关噪声等现象。本文利用Ansoft公司的设计仿真工具，结合具体电路设计，对部分电源分配系统进行了优化设计：介绍一种高阻抗电磁表面结构，并应用到具体电路设计中来减小同步开关噪声，比传统单纯加去耦电容效果更好。5.期刊论文 杜丽霞.曹岩.DU Li-xia.CAO Yan 电源完整性仿真及其在DDR SDRAM电路中的应用研究-微计算机信息2009,25(13)结合DDR SDRAM控制电路介绍了如何计算电源分配系统目标阻抗的方法,通过SPECCTRAQuest Power I

46、ntegrity软件对电路的电源分配系统进行了仿真与分析,达到了验证的目的.测试结果表明,该方法可以设计出能够满足要求的电源分配系统,并可以降低设计复杂度,提高设计效率,缩短设计周期.6.学位论文 陈昌荣 嵌入式系统中电源模块的研究与设计 2007 嵌入式系统的电源模块是嵌入式板级开发的一个热点问题，电源模块的好坏与电子设备的性能密切相关。因此电源模块的设计对于电子工程师来说日渐重要。随着板级开发日趋小型化，高速化，这也要求电源模块必须向着高转换效率、高稳定性、低压大电流以及完善的监控管理功能发展。一个完整的嵌入式系统电源模块的设计，应该包括电源模块的搭建以及电源完整性(Power Integ

47、rity，PI)的评估。电源模块的设计要求电子工程师能够根据电子设备的需要考虑电源的电压、功耗以及可监控性等多方面因素，并以此来搭建电源模块。而电源完整性则是当今高速电路板设计的一个热点问题，他是对信号完整性的延升，目的是为电路板上工作的器件提供一个干净高效的电源环境。电源完整性主要是基于分析整块电路板上电源/地平面构成的电源分配系统，在电流可能变化的范围内，为电路板提供一个稳定的，电压波动小的电源系统。本文从如何为嵌入式板级系统设计一个合理的，电源完整性好的电源模块入手：1分析嵌入式电源模块的系统结构，包括电源模块的内部拓扑，板级的电源系统构架，电源模块元件的选择以及电源监控管理的搭建。并结

48、合现今市场上常用的电源芯片，监控手段等进行分析。2研究分析电路板信号完整性以及电源完整性问题。结合信号传输理论，分析了高速数字电路板信号传输时产生的反射、振荡、串扰等现象以及其解决方法。其次是基于电源分配系统的电源完整性分析。最后结合实测经验，讨论电源完整性实测参数3设计“UHF(915MHz)RFID阅读器”硬件平台的电源模块，并依托此平台，利用Cadence公司的SPECCTRAQuest PI电源完整性仿真工具，对该硬件平台的电源完整性进行仿真，为该平台电路板的电源模块设计提供了仿真指导。随着嵌入式板级系统高速化，小型化的发展趋势，对电源模块的设计也日趋严格，电源完整性已经越来越多地被电

49、子工程师所关注。本文从最基本的电源模块内部拓扑入手到电源的板级开发，再到高速电路板设计中的信号完整性、电源完整性的分析与研究，对设计开发嵌入式设备的电源模块有一定的指导意义。7.学位论文 李小平 高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性研究 2005 本文研究了高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性问题及其解决方法。首先，介绍了高速PCB设计中存在的信号完整性、电源完整性和电磁兼容问题，并总结了国内外的研究现状。其次，在阐述传输线理论的基础上，详细分析了高速PCB设计中的信号完整性问题，包括反射、串扰等，讨论了公共时钟和源同步总线结构的系统中所必须满足的时序约束条件；对常用的端接

50、方案的端接效果进行了仿真，并分析了两耦合传输线系统中线间距、平行走线长度、介质层厚度等参数变化对串扰的影响。再次，研究了同步开关噪声的产生机理；并在此基础上提出了电源完整性设计方法，通过单节点仿真来优化去耦电容的选择，通过多节点仿真来优化选择好的去耦电容的布局，从而使电源分配系统能满足目标阻抗的要求。然后，研究了高速PCB设计中电磁兼容性问题，详细阐述了电磁辐射的产生机理与设计方法。最后，结合CadencePSD15.0软件包提出了基于信号完整性、电源完整性和电磁兼容性分析的高速PCB设计方法，并详细介绍了IBIS模型的获取和验证方法。8.期刊论文 庄跃明.朱振辉.Zhuang Yueming