电源完整性设计指导.docx

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电源完整性设计指导

技术文件

技术文件名称：

电源完整性（PI）设计指导

技术文件编号：

版本：

V1.0

文件质量等级：

共73页

（包括封面）

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1电源供应系统的组成及电源完整性问题

1.1概述

在电子通信系统设计中，为芯片及互连提供宽频带完好的电源环境，即满足电源完整性要求的电源地回路环境是影响整个系统可靠性的非常重要的因素。

从单板、背板到整机，电源完整性都是重要的设计考虑。

随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。

电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。

此外电源完整性也影响到硬件，特别是PCB的成本控制，即如何以恰当的设计代价取得相对最优的效果并减少设计反复。

设计一个高性能的电源供应系统，实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片通讯所引起的回流、辐射及串扰。

低的电源、地噪声对于EMI的控制也是必须的，根据FCC标准，在1GHz的频段范围内，要求整机的辐射发射和传导发射不得超过标准值。

EMI在很大程度上和电源、地设计有关。

因此如何通过电源完整性设计来降低电源及电地平面引起的EMI辐射，也是硬件设计人员必须面对的一个难题。

同样需要引起注意的是：

电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电源的完整性设计。

所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。

硬件设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。

电源完整性问题就其根本原理而言是一个较为复杂的电路与电磁场互动的问题。

电源模块自身、带分布参数的滤波电容、集成电路的输入/输出等都属于电路问题，在原理图上是显现的；电源系统相关元件的物理位置和PCB叠层结构等则属于物理问题，也即电磁场分布问题，在原理图上是隐含的。

孤立地分析电路或电磁场都不能解决电源完整性问题，解决问题需要将显现原理图和隐含原理图统一起来做分析。

显现原理图问题由电路分析解决，而隐含原理图由电磁场方法求解。

因此解决电源完整性问题需要将电路分析和电磁场求解统一起来，实现互动。

譬如研究怎样的电路激励会产生怎样的电磁场分布，产生的电磁场又如何传播并影响接收电路。

研究电源完整性问题能够解决诸如最佳的叠板结构与分割问题、最佳的滤波电容参数和放置位置问题、含回流及平面波动特性的信号完整性问题、以及最佳接地和降低EMI辐射问题等等。

将信号完整性和电源完整性相结合是设计高速、高密度、高可靠性通讯领域硬件系统的必由之路，具有很重要的实用价值。

通常，PCB电源供应系统也即电源分配系统包括如下几个重要部分：

电源模块、电地平面以及各种去耦滤波元件等组成，不是单纯指的电源模块一个部分，如图1-1所示。

我们分析电源完整性也并不是只关心电源的直流特性，而是考察电源系统，物理上从电源模块到芯片封装这样一个全路径；频带上从直流到工作频率的五至十倍频这么一个很宽的范围。

电源噪声主要来自两个部分：

一个是AC/DC或DC/DC转换器由于内部开关产生的噪声，另一个是各芯片工作时带来的⊿I噪声，这种噪声在多个信号线进行翻转时，表现的尤为明显。

针对这些噪声产生的机理和频率特性，我们可采用不同的去耦、滤波手段来解决。

电源、地平面相当于一个极好的高频电容，对噪声的高频成分滤波非常有效，同时也有其独特的谐振、串扰特性。

各种电容以及电源、地平面的适用滤波频段特性如图1-1所示。

对电源、地平面的分析，其中有一种有效的手段是采用目标阻抗控制来实现对电源分配系统电源噪声的控制，也即将每个芯片的电源、地管脚附近作为观测端口，控制端口的输入阻抗在一定的频率范围内，达到芯片可以接受的容限值，从而控制⊿I噪声。

但是对电源、地平面的分析，涉及到物理结构、物理位置、叠板、滤波、各个器件的动态工作特性等等，非常复杂，详细准确的分析需要采用二点五维电磁场法进行有限元计算，并结合电路仿真的手段，将二者融合。

具体融合的方法有1）电路仿真融入电磁场分析环境。

2）电磁场分析得出电路仿真模型，再融入电路仿真环境。

第一种方法优点的是直观，第二种方法的优点精确。

二种方法应根据实际问题合理选择。

图1-1PCB电源供应与滤波系统组成

图1-2电容、平面滤波的频率特性

1.2AC/DC和DC/DC转换器的特性与选用

AC/DC和DC/DC是电源分配系统中的重要组成部分，同时也是系统噪声源之一。

虽然我们对PCB单板EMI控制是从整个电源分配系统考虑的，而不可能对电源AC/DC和DC/DC进行EMI的严格标准控制，因为仅仅保证AC/DC、DC/DC完全满足FCC标准，代价昂贵而整个单板的EMI效果不一定满足要求。

但是一个设计、滤波良好的AC/DC、DC/DC，对整个电源供应系统的EMI控制是大有好处的，下面对AC/DC、DC/DC原理与噪声产生机理进行介绍。

1.2.1AC/DC和DC/DC基本原理以及拓扑模型

DC/DC直流电源转换电路是用半导体功率器件（BJT、功率MOSFET、IGBT等）作为开关，使带有滤波电路的负载电路与输入直流电压时通时断，并利用无源磁性元件和电容元件的能量存储特性，从输入电压源获取能量，将它转换到负载，从而得到另一直流电压。

通常从输入输出电压关系可分为升压变换器和降压变换器或分为带隔离的DC/DC变换器和非隔离的DC/DC变换器。

从DC/DC的工作方式也有两种，即PWM和PFM。

目前采用得较多的是PWM和带隔离的DC/DC变换器。

AC/DC则是直接从交流输入电压源得到负载所需要得直流电压，实质上，它是在DC/DC的前一阶段先采用整流技术，将交流电源转换得到一直流电压源。

图1-3为一种典型的带隔离的AC/DC拓扑结构模型，虚线框内为输入阶段的整流部分。

AC/DC用在一次电源较多。

1.2.2AC/DC和DC/DC差模与共模噪声模型

电源噪声可分为差模噪声和共模噪声，由于二者产生得机理和耦合路径不同，所以必须分别予以讨论。

差模噪声比较简单，差模电流回路是我们所需要的正常的电流回路，图1－4为电源差模噪声源示意图。

电源共模噪声比较复杂，也比较难以滤除。

噪声电流在相线和中线上是同相的。

图1－5、图1－6为两类典型的共模噪声源。

其中一类噪声源中，参考地平面的阻抗远小于包护地线的感抗，此时共模电流是以参考地平面作为回流的参考平面。

在大多数情况下，如果PCB设计良好的话，引起电缆辐射问题的主要原因是一类共模噪声。

二类电源噪声源主要是在基准电压与参考地平面相互分离的情况下。

此时，基准地位与参考地平面由于数10pf的分布电容，形成一个电流回路，但是由于此分布电容表现的是高阻抗，从而是保护地线电流回路为最低的阻抗的回流路径。

显然，二类噪声源模型回流的环路面积较一类小，所以由它引起的辐射相对较弱。

在实际系统中，这两种类型的噪声源在某种程度上是同时存在的。

图1－7是简化的BUCKDC/DC共模噪声电流回流路径的示意图。

由图中可以看出，晶体管的分布绝缘电容为共模电流提供了耦合路径，它应该是共模噪声来源的一个重要因素。

但是共模噪声从何而来？

由于晶体管作为一个开关，集电极与射电极之间的电压处于从0到2Vs之间切换，从而使该绝缘分布电容处于充电放电状态，类似于一个源。

而其它的器件由于对地存在分布的绝缘电容，也会引入共模噪声。

差模噪声源则主要是通过输入纹波滤波电容耦合，图1－8所示为BUCKDC/DC差模噪声电流回流路径，输入纹波滤波电容得分布参数是决定差模噪声的关键因素。

1.2.3AC/DC和DC/DC滤波

尽管通过设计可以尽量避免EMI噪声带来的缺陷，但是残余的EMI噪声始终是存在的。

因此要得到高性能的AC/DC或DC/DC电源输出电压波形，对EMI电源噪声的抑制必不可少，通常对源边采用电感、电容进行EMI滤波，而对输出LC滤波器常常被采用。

在了解了噪声源以及噪声是怎么传输机理以后，就可以又效地对噪声进行抑制，对传导噪声进行EMI滤波，对辐射噪声进行屏蔽。

图1－9是噪声抑制的基本原则。

图1-9噪声抑制基本原则

我们知道，滤波器的特性与其终端阻抗具有密切关系。

电源滤波与一般的信号滤波器不同的是，普通的信号滤波器具有固定的终端阻抗，而电源滤波器的终端阻抗可能是动态变化的，这就决定了电源滤波器必须使用与普通滤波器不同的原则来适应这种特殊的情况。

通常，电源线滤波器我们采用阻抗失配的原则。

一个简单的具有源终端阻抗、负载终端阻抗与LC滤波网络的电源滤波模型如图1－10。

根据阻抗失配原则：

电感对应低阻抗，电容对应高阻抗，基本的LC滤波网络如图1－11。

由前面的分析可知，电源噪声分为差模噪声和共模噪声，对应电源的滤波也分为对差模噪声滤波和共模噪声滤波。

图1－12为简单的共模噪声示意图，图1－13为共模噪声滤波的两种方法，一种采用共模厄流圈实现对电源共模噪声的滤波，此时，该电感对共模噪声相当与一个电感，从而对高频的共模噪声进行抑制。

另一种是采用Y电容，为共模噪声电流在靠近电源的输入端与地形成回流路径，从而达到滤除共模噪声的目的。

图1－14为差模噪声示意图，图1－15则为差模LC滤波器，对差模噪声信号的滤除相对简单，通常，对差模噪声而言，源阻抗可以看作是低阻抗的，而负载可以近似为高阻抗，根据阻抗失配原则，则采用LC滤波器即可。

图1－12电源共模噪声示意图

图1－13电源共模噪声的滤波方法

图1－14电源差模噪声示意图

图1－15电源差模噪声滤波

图1－16即为AC/DC或DC/DC整个电源的噪声EMI滤波示意图。

图中，X、Y电容的选取必须符合安规的要求。

X电容特别适合与AC线上的差模滤波，根据EN132400，X电容按它工作的瞬间峰值电压，分为3个子类，如表1－1。

通常X2电容使用较多，X1电容由于成本，使用较少。

Y电容由于需要保证电容不会短路等，要求更高的电气和机械可靠性，电容值也受安规的限制。

通常使用在AC线或整流桥到次级、基座、屏蔽地、大地等进行滤波。

根据EN132400，Y电容分为4个子类，如表1－2。

图1－16电源共模、差模噪声滤波

表1－1EN132400X电容子类

表1－2EN132400Y电容子类

1.2.4AC/DC和DC/DC转换器指标以及选用

AC/DC或DC/DC转换器的指标非常多，在实际应用中，如何根据应用指标需求，选择合适的AC/DC或DC/DC转换器或电源模块，非常重要，下面是一些常用的考虑原则。

1．是否要求隔离

通常在输入电压为－48v的通信电源应用中，DC/DC模块选用带隔离的模块，而在低压到低压的转换中，选用非隔离的DC/DC转换器。

2．输入输出电压关系

根据输入输出电压的关系确定选用升压、降压、反相或其他应用的变换电路。

同时要考虑器件的输入电压范围，选择合适的器件。

3．输出电流或功率负载

在选择器件的输出电流能力时，要使其比实际需要稍大一些。

对于负载稳定的电路，器件最大设计输出电流通常为实际应用的电流的1.2倍，但在负载变化较大及可靠性要求较高的应用中，器件最大设计输出电流应取额定最大电流的1.5～1.8倍。

4．静态电流和效率

静态电流是直接反映器件本身的电流消耗，因此越小越好。

通常，在器件的特性指标中给出的效率是典型效率或最大效率，实际效率与输入输出电压，输出电流由关。

如果负载电流在很大范围内变化，同时由要求保证高效率，就要选择在宽负载范围均有高效率的器件。

如果负载电流稳定，应仔细比较效率曲线，以便找到在此负载电流下效率最佳的转换器。

5．开关频率

DC/DC变换器中，功率开关和储能元件的物理尺寸直接受工作频率的影响。

磁性元件所耦合的功率是：

。

随着开关频率的提高，为保持恒定的功率所要求的电感相应减小。

由于电感与磁性材料的面积和扎数有关，所以可以减小电感的物理尺寸。

电容元件所耦合的功率是：

。

所以提高开关频率也可是储能电容器的尺寸减小。

在考虑储能元件的物理尺寸的同时，还要注意开关噪声和谐波干扰对系统的影响。

通常高频噪声较低频噪声易于滤除。

6．纹波

纹波是电源的一项重要指标。

通常不得高于工作电压的5％。

如1.5v输出电压要求纹波

不得高于50mv，3.3v输出电压纹波

不得高于100mv。

1.3滤波电容特性

在频率很高时，电容不能再被当作一个理想的电容看，而应该充分考虑到它的寄生参数效应，通常电容的寄生参数为ESR,ESL，其等效电路如图1－17。

串联的RLC电路在f处谐振。

其曲线如图1－18。

图中f为串联谐振频率（SRF），在f之前为容性，而在f之后，则为感性，相当一个电感，所以在选择滤波电容时，必须使电容器工作在谐振频率之前。

图1－18电容器阻抗特性

1.3.1去耦、滤波电容的分类

电容的种类有很多，如CBB电容（聚乙烯），涤纶电容、瓷片电容、云母电容、独石电容、电解电容、钽电容等。

1－3表列出了各种电容的优缺点。

去耦、滤波电容通常采用铝电解电容、钽电容、陶瓷电容。

其中铝电解电容主要用在电源模块部分，它的容值可以作的很大，但是它的温度性能通常在－20℃――70℃，工作频率在10kHz以下。

固体钽电容的低频特性非常好，容量大，而且ESR也很小，但由于压电效应，容量随偏置电压变化较大。

陶瓷电容高频特性非常好，性能稳定，ESR很小。

通常分为一类、二类陶瓷、三类陶瓷。

下面是几类典型的陶瓷电容特性。

NPO：

一类陶瓷电容，ESR最小，电压特性与温度特性最好，但通常容量较小，最大容量到数十nF

X7R：

二类陶瓷电容，电压特性与温度特性较好，容量通常在几nF～几uF。

X5R：

二类陶瓷电容，电压特性与温度特性与X7R相当，但可靠性较X7R差，容量可达100uF。

Y5V：

二类陶瓷电容，电压特性与温度特性差，但容量可以做到很大。

表1－3各种常用电容的优缺点

极性

名称

制作

优点

缺点

无

无感CBB电容

2层聚丙乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成

无感，高频特性好，体积较小

不适合做大容量，价格比较高，耐热性能较差

无

CBB电容

2层聚乙烯塑料和2层金属箔交替夹杂然后捆绑而成

有感，其他同上

无

瓷片电容

薄瓷片两面渡金属膜银而成

体积小，耐压高，价格低，频率高（有一种是高频电容）

易碎！

容量低

无

云母电容。

云母片上镀两层金属薄膜

容易生产，技术含量低

体积大，容量小，（几乎没有用了）

无

独石电容

体积比CBB更小，其他同CBB，有感

有

电解电容

两片铝带和两层绝缘膜相互层叠，转捆后浸泡在电解液（含酸性的合成溶液）中

容量大

高频特性不好

有

钽电容

用金属钽作为正极，在电解质外喷上金属作为负极

稳定性好，容量大，高频特性好

造价高。

（一般用于关键地方）

1.3.2分布参数对电容阻抗频率特性的影响

由串联谐振回路的谐振频率计算公式可知

，因此自谐振频率随着容值的减小而增大，随着ESL减小而增大。

1．ESL、ESR一定，电容量变化的电容阻抗频率特性

由图1－19可知，ESL,ESR一定，电容量减小，SRF右移，即增大，同时小于SRF频段，容抗亦随之增大。

图1－19ESR、ESL一定，电容阻抗随容值变化的频率特性图

2．电容值、ESR一定，ESL变化的电容阻抗频率特性

由图1－20，当电容量与ESR一定，ESL减小，SRF增大，而大于SRF频段的感抗减小。

图1－20电容值、ESR一定，ESL变化的电容阻抗频率特性图

3．C、ESL一定，ESR变化的电容阻抗频率特性

由图1－21，ESR越小，在SRF处，电容阻抗越小。

LessESR

图1－21C、ESL一定，ESR变化的电容阻抗频率特性图

4．电容组合的阻抗频率特性

由图1－22，电容并联组合，一方面由于ESR和ESL减小，电容量增大，SRF不变，而容抗和感抗都会降低，因此对去耦、滤波有着无可比拟的优越性。

图1－22多个电容并联组合的阻抗频率特性

5．常用陶瓷贴片电容的分布参数与自谐振频率

表1－4常用陶瓷贴片电容的分布参数与自谐振频率

C

ESR（欧姆）

ESL（nH）

SRF（Mhz）

10uF（1210,Y5V,25V）

0.012

0.900

1.678

1.0uF（1206,X7R,25V）

0.015

1.000

5.033

0.1uF（0805,X7R,50V）

0.025

0.6000

20.547

0.047uF（0603,X7R,25V）

0.053

0.500

32.831

0.01uF（0603,X7R,50V）

0.098

0.500

71.176

2200pF（0603,X7R,50V）

0.189

0.5

151.748

0.001uF（0603,X7R,50V）

0.271

0.500

225.079

820pF（0603,X7R,50V）

0.298

0.5

248.558

390pF（0603,X7R,50V）

0.423

0.5

360.415

220PF（0603,NP0,50V）

0.085

0.5

479.87

100pF（0603,NP0,50V）

0.116

0.5

711.763

68pF（0603,NP0,50V）

0.14

0.55

863.139

10pF（0603,NP0,50V）

0.378

0.5

2250.791

1.4电源、地耦合平面特性

1.4.1电源地平面的电容特性

电源地平面可被当作一个平板电容器来对待，尤其在中低频时，其ESR,ESL都很小。

在这种情况下，电源、地平面作为一个去耦电容，对RF能量的抑制具有电容器无可比拟的优越性，通常电容器在500MHz以上，由于分布参数的影响，已经失去作用，而电源、地平面则100MHz以上直至GHz的范围内具有良好的去耦滤波特性。

电源、地平面的电容粗略计算为：

其中，

平面之间介质的介电常数（

），在这里，若采用FR-4材料，

，

，上式则为

平面的面积（

）

平板间距（mm）

平面之间的电容（Pf）

由上式可知，10mil厚度，FR-4基材的电源、地平面将有

的电容。

1.4.2电源地平面的谐振特性

电源、地平面虽然可以看作一个电容器，但是由于电源、地平面通常由于设计的需要，会被分割，这样就造成了平面的不完整，因此此时平面的电容特性会变得非常复杂，而且，在高频时，由于分布电感ESL的影响，电源、地平面相当于一个谐振腔，具有谐振特性，而且自谐振频率是物理结构和外置的函数。

分析电源、地平面对谐振特性的最精确的方法是采用三维全波电磁场建模与仿真，但是计算量非常大。

作为理解电源、地平面的谐振特性，我们可以采用分布/集总式等效电路仿真方法进行建模。

图1－23块完整的PCB板模型，其中VRM为电源变换器的线性等效模型。

我们可以将电源、地平面分成多个小的单元，每个单元可以看作一个平板电容器，如图1－24总参数RLGC由平面尺寸和介质材料决定。

图1－23PCB模型

图1－24PCB的集总式等效电路模型

图1－25平板电容器的集总参数模型

总之，电源、地平面的谐振特性对我们系统的性能带来不利的影响。

在谐振频率附近，能量会被介质存储或消耗掉，而且只要该电源、地平面的位置有激励源，就很容易起振。

通过增加滤波电容或适当调整芯片的外置，从而达到我们的设计要求。

2

电源、地平面的功能与设计原理

PI即电源完整性提出，源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差。

 随着产品设计的功能增多和信号传输速度的增加，瞬态电流也就增加。

大面积的电源和地平面就是为了满足这个需要而设计的。

但是由于设计的复杂性，例如多种电源和多种地需要同时使用，使得地电平面被分割而成为有缺陷的平面。

由此可能会产生感应噪声，当这种噪声大到一定程度时，会影响集成电路的功能和性能。

这种噪声是指Delta-I、地弹或瞬态开关噪声。

大家虽然知道去耦电容可以减少这些噪声，但是目前，电源和地平面的噪声只能通过对原型产品的测量或由有经验的工程师凭他们的经验来控制。

经常凭经验把去耦电容的容量设定为默认的值。

实践中，去耦电容数量、容量值以及电容的放置位置都与频率有关，要确定其最佳值的确是件非常困难的事。

为了正确预测电容的有效性，需要精确考虑瞬态电流和电源实际的供电路径。

一旦做到了这一点，则电源/地平面上的噪声就可以看到了，也就可以通过在适当的地方放置适当容量的电容从而有效地控制其噪声。

在一定程度上，我们只能减弱因电源不完整带来的系列不良结果，一般会从降低信号线的串绕、加去耦电容、尽量提供完整的地电层等措施着手。

现有的SI仿真软件基本上是假定信号线有一完整的参考平面来进行仿真计算的，这严重脱离了PCB的实际情况，从而使仿真出来的数据与实际相差甚远。

由于现有设计的复杂性，一个PCB经常会使用多种地电源，再加上各种过孔和插件元器件的影响，使完整的地电层没有可能存在。

这样PI的提出将为信号线提供一个稳定的参考层面，从而减少EMI，使SI的仿真正确，板子工作稳定。

 其中就包括了PCB层数的定义，电源的合理分割如3.3V, 2.5V, 5V, 12V 等，利用去耦电容对开关噪声、回路噪声、地弹噪声的消除等等 。

良好的地电平面设计正电源完整性设计所涉及的内容，通常通过设计合适的电源目标阻抗来实现。

将芯片工作电源、地作为一个端口，如果该电源目标阻抗越小，则从噪声源耦合到电源分配系统的噪声也就越小。

所以通过调整PCB叠层，电源、地的合理分割、去耦电容容量的选取以及位置的摆放等等，可以调整目标阻抗，使电源的波动在正常的工作范围内，从而达到电源完整性的要求。

PI：

即PowerIntegrity，电源完整性。

这里是指为各信号线提供一个最短的回流路径。

电子噪声：

是指电子线路中某些元器件产生的随机起伏的电信号。

地弹噪声：

在电路中有大的电流涌动时会引起地平面反弹噪声（简称为地弹），如大量芯片的输出同时开启时，将有一个较大的瞬态电流在芯片与板的电源平面流过，芯片封装与电源平面的电感和电阻会引发电源噪声，这样会在真正的地平面（0V）上产生电压的波动和变化，这个噪声会影响其它元器件的动作。

负载电容的增大、负载电阻的减小、地电感的增大、同时开关器件数目的增加均会导致地弹的增大。

回流噪声：

众所周知，只有构成回路才有电流的流动，整个电路才能工作，这样每条信号线上的电流势必要找一个路径以从末端回到源端，一般会选择与之相近的平面。

由于地电平面（包括电源和地）分割，例如地层被分割为数字地、模拟地、屏蔽地等，当数字信号走到模拟地线区域时，就会产生地平面回流噪声。

断点：

是信号线上阻抗突然改变的点。

如用过孔（via）将信号输送到板子的另一侧，板间的垂直金属部分是不可控阻抗，这样的部分越多，线上不可控阻抗的总量就越大。

这会增大反射。

还有，从水平方向变为垂直方向的90度的拐点是一个断点，会产生反射。

如果这样的过孔不能避免，那么尽量减少它的出现。

2.1电地平面的阻抗与滤波功能

2.1.1电地平面地目标阻抗

在高速电路的设计中，为了保证IC等器件在直流到时钟频率