信号完整性系列之“PI”

[导读]本文主要介绍电源完整性，包括纹波、噪声、回沟等。

电源完整性就是要确保电源Source端及Sink端的电压及电流符合需求。设计目标是把电源噪声控制在允许的范围内，为芯片提供干净稳定的电压，并使它能够维持在一个很小的容差范围内(通常为5%以内)，能实时响应负载对电流的快速变化，并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。电源完整性主要分为以下四个层面：芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。芯片设计主要关注芯片层面和封装层面的电源完整性；板级设计主要关心电路板层面，包括电源部分的纹波、噪声、EMC等；系统设计主要关注系统层面的PI，包括电源分配系统(PDS)如何为各个印刷电路板(PCB)上各部件提供稳定的电压；如何抑制由复杂的互连结构引起的电源噪声；如何提高高速信号质量等。

本文主要介绍电路板层面的电源完整性设计，主要指标有以下几个：

保证芯片电源输入引脚的电压纹波噪声满足规格要求（比如芯片电源管脚的输入电压要求1V之间的误差小于±50 mV）；
控制地弹（同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO等）；
降低电磁干扰（EMI）并且符合电磁兼容性（EMC），PDN是电路板上最大型的导体，因此也是最容易发射及接收噪声的天线。

纹波和噪声

纹波和噪声往往被混为一谈，其实纹波和噪声是有区别的，纹波是指在电源输出的时候，电源自身开关引起的一种固定频率波动的现象，纹波一般跟电源的开关频率同步，由电容的充放电、PWM调节等产生。噪声是一个笼统的说法，包含很多种的成分，既包括底噪、电磁耦合、电源平面的谐振等，同时也包括电源自身的噪声。噪声主要是来自板上用电器件，随着用电器件内驱动、接收开关变化，电源网络上的电流也会随之变化，电流的变化也引起了电压的波动，因此这一部分的噪声占电源噪声的很大比重，其他的像电磁耦合等占的比重一般较小，但是在设计中也应该避免这些情况的发生。

在测试纹波的时候需要使用20MHz的带宽限制，目的是为了把高频的噪声去掉，位置要选择在电源输出位置，抓到真实的电源纹波。在测试电源噪声的时候不做带宽限制，目的是最大可能获取真实情况，位置选择可不固定，可在电源输出端，也可在用电芯片电源引脚端，但一般来说，在用电芯片引脚端测试噪声更有参考意义，这样才包含了整个PDN的噪声。但在工程上，在对电源进行测试时，一般并不刻意地把纹波和噪声分开，测量的是纹波和噪声两者的合成干扰，用峰峰值表示。回沟
除了纹波和噪声外，电源部分经常被忽略的一个指标就是电源的上升单调性，启动过程中，电源电压保持单调爬升非常重要，只有这样才能确保器件成功开启。一般的器件都给出了严格的电压单调上升要求，即电源电压应该连续上升至所设置的稳压值，中间不应发生跌落。如果电源不能提供足够的输出功率，则会造成跌落。上电过程电源不是线性增加，而会出现电压降低的现象，称为上电回沟。

产生回沟的主要原因是：