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電源完整性理論基礎(chǔ)
------- 阿鳴
隨著 PCB 設(shè)計(jì)復(fù)雜度的逐步提高,對(duì)于信號(hào)完整性的分析除了反射,串?dāng)_以及 EMI之外,穩(wěn)定可靠的電源供應(yīng)也成為設(shè)計(jì)者們重點(diǎn)研究的方向之一。尤其當(dāng)開(kāi)關(guān)器件數(shù)目不斷增加,核心電壓不斷減小的時(shí)候,電源的波動(dòng)往往會(huì)給系統(tǒng)帶來(lái)致命的影響,于是人們提出了新的名詞:電源完整性,簡(jiǎn)稱(chēng) PI(power integrity)。其實(shí),PI和 SI是緊密聯(lián)系在一起的,只是以往的 EDA仿真工具在進(jìn)行信號(hào)完整性分析時(shí),一般都是簡(jiǎn)單地假設(shè)電源絕對(duì)處于穩(wěn)定狀態(tài),但隨著系統(tǒng)設(shè)計(jì)對(duì)仿真精度的要求不斷提高,這種假設(shè)顯然是越來(lái)越不能被接受的,于是 PI的研究分析也應(yīng)運(yùn)而生。從廣義上說(shuō),PI是屬于 SI 研究范疇之內(nèi)的,而新一代的信號(hào)完整性仿真必須建立在可靠的電源完整性基礎(chǔ)之上。 雖然電源完整性主要是討論電源供給的穩(wěn)定性問(wèn)題,但由于地在實(shí)際系統(tǒng)中總是和電源密不可分,通常把如何減少地平面的噪聲也作為電源完整性中的一部分進(jìn)行討論。
一. 電源噪聲的起因及危害
造成電源不穩(wěn)定的根源主要在于兩個(gè)方面:一是器件高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下,瞬態(tài)的交變電流 過(guò)大;二是電流回路上存在的電感。從表現(xiàn)形式上來(lái)看又可以分為三類(lèi):同步開(kāi)關(guān)噪聲(SSN) ,有時(shí)被稱(chēng)為Δi 噪聲,地彈(Ground bounce)現(xiàn)象也可歸于此類(lèi)(圖 1-a) ;非理想電源阻抗影響(圖 1-b) ;諧振及邊緣效應(yīng)(圖 1-c) 。
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對(duì)于一個(gè)理想的電源來(lái)說(shuō),其阻抗為零,在平面任何一點(diǎn)的電位都是保持恒定的(等于系統(tǒng)供給電壓) ,然而實(shí)際的情況并不如此,而是存在很大的噪聲干擾,甚至有可能影響系統(tǒng)的正常工作,見(jiàn)圖 2:
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2017-12-28 01:28 上傳
開(kāi)關(guān)噪聲給信號(hào)傳輸帶來(lái)的影響更為顯著,由于地引線和平面存在寄生電感,在開(kāi)關(guān)電流的作用下,會(huì)造成一定的電壓波動(dòng),也就是說(shuō)器件的參考地已經(jīng)不再保持零電平,這樣,在驅(qū)動(dòng)端(見(jiàn)圖 3-a) ,本來(lái)要發(fā)送的低電平會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的噪聲波形,相位和地面噪聲相同,而對(duì)于開(kāi)關(guān)信號(hào)波形來(lái)說(shuō),會(huì)因?yàn)榈卦肼暤挠绊憣?dǎo)致信號(hào)的下降沿變緩;在接收端(見(jiàn)圖3-b) , 信號(hào)的波形同樣會(huì)受到地噪聲的干擾, 不過(guò)這時(shí)的干擾波形和地噪聲相位相反; 另外,在一些存儲(chǔ)性器件里,還有可能因?yàn)楸旧黼娫春偷卦肼暤挠绊懺斐蓴?shù)據(jù)意外翻轉(zhuǎn)(圖 3-c) 。
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