先說(shuō)一下，信號(hào)完整性為什么寫電源完整性？SI 只是針對(duì)高速信號(hào)的部分，這樣的理解沒(méi)有問(wèn)題。如果提高認(rèn)知，將SI 以大類來(lái)看，SI&PI&EMI 三者的關(guān)系：

所以，基礎(chǔ)知識(shí)系列里還是得講講電源完整性。話不多說(shuō)，直接上圖：

01

區(qū)別

記得剛接觸信號(hào)完整性的時(shí)候，對(duì)電源完整性（PI）和電源工程師之間的關(guān)系是分不清的。后來(lái)才漸漸了解這里面的千差萬(wàn)別。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，電源的產(chǎn)生與轉(zhuǎn)化，比如Buck電路，LDO，DC-DC等，源端部分這些是電源工程師來(lái)確定的。

電源工程師也會(huì)進(jìn)行相關(guān)的電源可靠性設(shè)計(jì)與測(cè)試，比如耐壓余量，耐電流余量，保護(hù)設(shè)計(jì)（過(guò)壓、過(guò)溫、過(guò)流等）。這些工作是電源工程師的專業(yè)范疇。電源這一塊很復(fù)雜，光各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)就已經(jīng)讓人云里霧里了，絕對(duì)是可以深究的一份職業(yè)。

02

PDN

電源完整性（PI）更關(guān)注于電源路徑及終端，也就是電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）。從源端穩(wěn)壓模塊（VRM）經(jīng)過(guò)路徑（單層直達(dá)或過(guò)孔轉(zhuǎn)換的幾個(gè)層面），到達(dá)終端，最終流向使用芯片或經(jīng)過(guò)線纜到使用設(shè)備。

電源路徑與信號(hào)路徑是有區(qū)別的，電源分配網(wǎng)絡(luò)中一個(gè)電源路徑可以在一個(gè)節(jié)點(diǎn)分成多個(gè)路徑，或者說(shuō)轉(zhuǎn)換成多個(gè)電源，終端掛多個(gè)元器件，可以理解為一對(duì)多。而信號(hào)路徑只能一對(duì)一。

既然電源分配網(wǎng)絡(luò)是為終端設(shè)備提供所需電源，那就是有要求，就需要對(duì)電源分配網(wǎng)絡(luò)管控。如信號(hào)路徑，除了保證返回電流，還要盡量保證返回路徑的低阻抗。由于是一對(duì)多的情況，這樣的管控，才能保證返回電流不相互重疊，不會(huì)發(fā)生地彈，即盡量避免開關(guān)噪聲（SSN）。

基本要求是，保證供電電壓穩(wěn)定，至少能夠維持在一個(gè)很小的容差范圍內(nèi)，通常在+/-5%以內(nèi)。電源的測(cè)試中有紋波測(cè)試，這個(gè)紋波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)就是+/-5%。

講到返回電流，這里就要分為直流部分和交流部分。

直流部分：

終端設(shè)備需要穩(wěn)定的電壓輸出，電源分配網(wǎng)絡(luò)互連之間串聯(lián)電阻的存在，直流部分通過(guò)，就會(huì)產(chǎn)生壓降，通常稱為IR 壓降。當(dāng)電流發(fā)生波動(dòng)時(shí)，壓降也會(huì)隨之波動(dòng)，從而影響終端設(shè)備的識(shí)別。之前的USB設(shè)備好像最低電壓值4.75 V。

交流部分：

當(dāng)交流電流通過(guò)電源路徑時(shí)，電源分配網(wǎng)絡(luò)上也將產(chǎn)生電壓降，這個(gè)壓降會(huì)隨著頻率發(fā)生變化：

電源路徑的不同（層數(shù)&Shape寬度等），造成的壓降變化是不同的，輸出穩(wěn)定電壓到終端的難度很大，我們所要做的只是保證電壓的變化在一定的范圍之內(nèi)，也就是所謂的噪聲容差。上式就可能轉(zhuǎn)換為目標(biāo)阻抗：

既然保證不了路徑上電壓的穩(wěn)定，那么電源分配網(wǎng)絡(luò)的電流在波動(dòng)的情況下，就需要保持電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗低于目標(biāo)阻抗。

需要注意的是，即使同一個(gè)電源芯片或模塊，針對(duì)不同的產(chǎn)品，也會(huì)給出不同的標(biāo)準(zhǔn)。即使相同的標(biāo)準(zhǔn)，因?yàn)椴煌碾娫绰窂剑煌陌鎴D走線，也會(huì)有千差萬(wàn)別。所以，電源分配網(wǎng)絡(luò)目標(biāo)阻抗才是最基本的要求。

目標(biāo)阻抗的管控說(shuō)到底就是路徑管控。兩個(gè)因素：電源和地平面之間介質(zhì)盡量薄，盡量短而寬的走線。

03

電源樹（Power tree）

先期評(píng)估，確認(rèn)各個(gè)電所需層面和路徑的時(shí)候，我們會(huì)預(yù)先根據(jù)相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，制定一個(gè)電源樹（Power tree）。個(gè)人覺(jué)得電源樹的概念提的特別好。一個(gè)主干道有很多分支，分支上再有分叉，一直到末端。

電源分配網(wǎng)絡(luò)可以有很多分支，也就是說(shuō)路徑上可以掛很多設(shè)備，比如5V電源下掛HDD，USB設(shè)備等。

電源的分類

比如12 V的電轉(zhuǎn)出5V，5V總電分出分支，給到各種設(shè)備。5V經(jīng)過(guò)LDO轉(zhuǎn)換電路出3.3V電，,3.3V總電分出分支，再往下繼續(xù)……

同時(shí)列出各個(gè)分支所需電流的多少，為后面路徑規(guī)劃（所需電源Shape大小給出標(biāo)準(zhǔn)），同時(shí)給出對(duì)應(yīng)的層面及評(píng)估。

在做電源路徑規(guī)劃，建議先做電源樹Power Tree，對(duì)所做設(shè)計(jì)的終端設(shè)備所需電壓路徑及所需電流大小一一評(píng)估，產(chǎn)品的不同，有的產(chǎn)品可能會(huì)使用幾十種電壓值。檢查的時(shí)候，建議從終端往前反推，這樣保證沒(méi)有遺漏。

04

頻段管控

上面提到一款產(chǎn)品，有幾十種電壓，每個(gè)電壓的目標(biāo)阻抗隨著頻率是改變的，這個(gè)時(shí)候就需要對(duì)路徑進(jìn)行頻段分類：

片選電容

芯片是由晶體管組成，不管是P溝道還是n溝道導(dǎo)通，都會(huì)形成柵極電容，隨著制程工藝的提升，溝道長(zhǎng)度變短，單位面積電容增大。所以，高頻時(shí)，片上電容為電源分配網(wǎng)絡(luò)提供了低阻抗。

穩(wěn)壓模塊

穩(wěn)壓模塊( VRM)決定了電源分配網(wǎng)絡(luò)的低頻阻抗。穩(wěn)壓模塊是為了保證輸出阻抗低頻的阻抗曲線。

實(shí)際中VRM沒(méi)有相關(guān)模型，所以我們仿真的曲線見下圖。所以在低頻（10K以下）阻抗反而很高。

PCB板級(jí)

為了確定板級(jí)電源分配網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)目標(biāo)阻抗，可以先找出上限頻率，即找出PCB板的阻抗開始超過(guò)目標(biāo)阻抗時(shí)的頻率點(diǎn)。如果要整個(gè)單獨(dú)分析，會(huì)比較麻煩。在低頻時(shí)，RLC 電路的阻抗取決于理想電容，在高頻時(shí)則取決于理想電感。而理想電阻則決定了 RLC 的最低阻抗。

簡(jiǎn)單點(diǎn)，分為電感和電容的兩個(gè)部分。相關(guān)公式為：

注意其和截止頻率公式區(qū)分。

電感方面考慮封裝引腳、過(guò)孔和擴(kuò)散電感等共同作用。

封裝引腳是串聯(lián)在芯片焊盤到電路板焊盤之間，可能有數(shù)百個(gè)電源／地平面對(duì)，開關(guān)數(shù)量的不同，封裝引腳電感是變化的，一般不超過(guò)1 nH。還有過(guò)孔及電源／地平面上運(yùn)送電流過(guò)程中的擴(kuò)散電感，共同決定了回路電感。

當(dāng)然，這里面過(guò)孔與過(guò)孔之間，平面之間，表層傳輸線之間等，這些情況的回路電感，這里就不做展開。

電容方面從擺放位置、電容容值&個(gè)數(shù)、反諧振三個(gè)方面來(lái)說(shuō)。不同的容值，不同封裝，耦合半徑的不同，所以擺放的位置需要考慮。還有，電容器的相關(guān)組合，擺放位置都是盡量靠近封裝，那是因?yàn)殡娏髦丿B，擴(kuò)散電感增加，電容器擺放可以減小增加量。

所以，電容器組合對(duì)電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗曲線的影響，在很大程度上取決于擺放在PCB板上位置。

電容除了擺放位置還要分為容值相同和容值不同的兩種情況。在通常的板級(jí)應(yīng)用中，使用較少個(gè)數(shù)的不同容值的電容器（而不是使用相同容值的電容器）往往能使阻抗最低的原因。為了使電容器的個(gè)數(shù)最少 ，一般選擇不同的容值。

選擇不同容值的電容器，還有一個(gè)原因：反諧振。容值的不同，自諧振頻率也不同，電容之間的并聯(lián)，讓其之間有一個(gè)新的特性，即阻抗的峰值，稱為并聯(lián)諧振峰值，它發(fā)生在并聯(lián)諧振頻率( Parallel Resonant Frequency, PRF)處。這時(shí)候就需要添加一個(gè)其自諧振頻率介于它們之間的電容器加以降低。

需要注意的是，當(dāng)需要采用多個(gè)電容并聯(lián)來(lái)滿足容值要求時(shí)，最好采用同類型的電容進(jìn)行并聯(lián)。這里的同類型是指封裝。

板級(jí)電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的頻率范圍約從 100 kHz 到 100 MHz。這正是電路板平面和多層陶瓷貼片電容器( MLCC) 發(fā)揮作用的頻率范圍 。這也是仿真時(shí)，重點(diǎn)關(guān)注的頻率范圍。

本例以1.2V的CPU用電為例，來(lái)舉例說(shuō)明PDN阻抗仿真。紋波百分比5%，最大電流為1.2A，根據(jù)公式

上圖說(shuō)明，是否使能電容對(duì)PDN阻抗的影響很大。

05

總結(jié)

在電源樹里，我們給出的都是產(chǎn)品規(guī)格或者設(shè)計(jì)規(guī)范里給出的峰值電流，實(shí)際的應(yīng)用中，這種情況出現(xiàn)的機(jī)率很小。所以，消費(fèi)類產(chǎn)品，在成本的管控之下，會(huì)給出不同配置的產(chǎn)品。低配版本，這時(shí)候，會(huì)減小MLCC的使用種類和數(shù)量，OptimizePI是一項(xiàng)很重要的工作，這個(gè)后面有機(jī)會(huì)再講。通過(guò)優(yōu)化，來(lái)降低產(chǎn)品成本，這也是電源完整性的關(guān)鍵所在。

審核編輯 ：李倩