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电源完整性设计的大总结上

发 布:2019/5/14 9:50:22查 看:75


1、为什么要重视电源噪声问题 


芯片内部有成千上万个晶体管,这些晶体管组成内部的门电路、组合逻辑、寄存器、计 数器、延迟线、状态机、以及其他逻辑功能。随着芯片的集成度越来越高,内部晶体管数 越来越大。芯片的外部引脚数有限,为一个晶体管提供单独的供电引脚是不现实的。芯 片的外部电源引脚提供给内部晶体管一个公共的供电节点, 因此内部晶体管状态的转换必 然引起电源噪声在芯片内部的传递。 


对内部各个晶体管的操作通常由内核时钟或片内外设时钟同步, 但是由于内部延时的 差别,各个晶体管的状态转换不可能是严格同步的,当某些晶体管已完成了状态转换,另 一些晶体管可能仍处于转换过程中。 芯片内部处于高电平的门电路会把电源噪声传递到其 他门电路的输入部分。如果接受电源噪声的门电路此时处于电平转换的不定态区域,那么电 源噪声可能会被放大,并在门电路的输出端产生矩形脉冲干扰,进而引起电路的逻辑错误。 芯片外部电源引脚处的噪声通过内部门电路的传播,还可能会触发内部寄存器产生状态转换。


 除了对芯片本身工作状态产生影响外,电源噪声还会对其他部分产生影响。比如电源噪 声会影响晶振、PLL、DLL 的抖动特性,AD 转换电路的转换精度等。


由于最终产品工作温度的变化以及生产过程中产生的不一致性,如果是由于电源系统产 生的问题,电路将非常难调试,因此最好在电路设计之初就遵循某种成熟的设计规则,使电 源系统更加稳健。 


2、电源系统噪声余分析


绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围,这个值通常是±5%。例如:对于 3.3V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在 3.13V 到 3.47V 之间,或 3.3V±165mV。对于 1.2V 电压,为满足芯片正常工作,供电电压在 1.14V 到 1.26V 之间,或 1.2V±60mV。这些限 制可以在芯片 datasheet 中的 recommended operating conditions 部分查到。这些限制要考 虑两个部分,第一是稳压芯片的直流输出误差,第二是电源噪声的峰值幅度。老式的稳压芯 片的输出电压精度通常是±2.5%,因此电源噪声的峰值幅度不应超过±2.5%。当然随着芯片 工艺的提高,现代的稳压芯片直流精度更高,可能会达到±1%以下,TI 公司的开关电源芯 片 TPS54310 精度可达±1%,线性稳压源 AMS1117 可达±0.2%。但是要记住,达到这样 的精度是有条件的,包括负载情况,工作温度等限制。因此可靠的设计还是以±2.5%这个值 更把握些。如果你能确保所用的芯片安装到电路板上后能达到更高的稳压精度,那么你可以 为你的这款设计单独进行噪声余计算。本文着重电源部分设计的原理说明,电源噪声余 将使用±2.5%这个值。


电源噪声余计算非常简单,方法如下:


比如芯片正常工作电压范围为 3.13V~3.47V 之间,稳压芯片标称输出 3.3V。安装到 电路板上后,稳压芯片输出 3.36V。那么容许电压变化范围为 3.47-3.36=0.11V=110mV。稳 压芯片输出精度±1%,即±3.36*1%=±33.6 mV。电源噪声余为 110-33.6=76.4 mV。


计算很简单,但是要注意四个问题:


第一,稳压芯片输出电压能精确的定在 3.3V 么?外围器件如电阻美高梅官方平台电感的参数也不 是精确的,这对稳压芯片的输出电压有影响,所以这里用了 3.36V 这个值。在安装到电路板上之前,你不可能预测到准确的输出电压值。


第二, 工作环境是否符合稳压芯片手册上的推荐环境?器件老化后参数还会和芯片手 册上的一致么?


第三,负载情况怎样?这对稳压芯片的输出电压也有影响。


第四,电源噪声最终会影响到信号质。而信号上的噪声来源不仅仅是电源噪声,反射 串扰等信号完整性问题也会在信号上叠加噪声,不能把所有噪声余都分配给电源系统。所 以,在设计电源噪声余的时候要留有余地。


另一个重要问题是:不同电压等级,对电源噪声余要求不一样,按±2.5%计算的话, 1.2V 电压等级的噪声余只有 30mV。这是一个很苛刻的限制,设计的时候要谨慎些。模 拟电路对电源的要求更高。电源噪声影响时钟系统,可能会引起时序匹配问题。因此必须重 视电源噪声问题。 

    

3、电源噪声是如何产生的? 


电源系统的噪声来源有三个方面:


第一,稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的,会有一定的波纹。这是由稳压芯片自身 决定的,一旦选好了稳压电源芯片,对这部分噪声我们只能接受,无法控制。


第二,稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。稳压电源芯片通过感知其 输出电压的变化,调整其输出电流,从而把输出电压调整到额定输出值。多数常用的稳压源 调整电压的时间在 ms~us 级。因此,对于负载电流变化频率在直流到几百 KHz 之间时,稳 压源可以很好的做出调整,保持输出电压的稳定。当负载瞬态电流变化频率超出这一范围时, 稳压源的电压输出会出现跌落,从而产生电源噪声。现在,微处理器的内核及外设的时钟频 率已超过了 600 MHz,内部晶体管电平转换时间下降到 800 ps 以下。这要求电源分配系 统必须在直流到 1GHz 范围内都能快速响应负载电流的变化, 但现有稳压电源芯片不可能 满足这一苛刻要求。我们只能用其他方法补偿稳压源这一不足,这涉及到后面要讲的电源去耦。


第三,负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降。PCB 板上任何电气 路径不可避免的会存在阻抗,不论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板,通常提供 一个完整的电源平面和地平面,稳压电源输出首先接入电源平面,供电电流流电源平面, 到达负载电源引脚。地路径和电源路径类似,只不过电流路径变成了地平面。完整平面的阻 抗很低,但确实存在。如果不使用平面而使用引线,那么路径上的阻抗会更高。另外,引脚 及焊盘本身也会有寄生电感存在,瞬态电流流此路径必然产生压降,因此负载芯片电源引 脚处的电压会随着瞬态电流的变化而波动,这就是阻抗产生的电源噪声。在电源路径表现为 负载芯片电源引脚处的电压轨道塌陷, 在地路径表现为负载芯片地引脚处的电位和参考地 电位不同 (注意,这和地弹不同,地弹是指芯片内部参考地电位相对于板级参考地电位的 跳变)


4、美高梅官方平台退耦的两种解释  


采用美高梅官方平台退耦是解决电源噪声问题的主要方法。这种方法对提高瞬态电流的响应速度, 降低电源分配系统的阻抗都非常有效。


对于美高梅官方平台退耦, 很多资料中都有涉及, 但是阐述的角度不同。 有些是从局部电荷存 储 (即储能)的角度来说明,有些是从电源分配系统的阻抗的角度来说明,还有些资料的说明更为混乱,一会提储能,一会提阻抗,因此很多人在看资料的时候感到有些迷惑。其实, 这两种提法,本质上是相同的,只不过看待问题的视角不同而已。为了让大家有个清楚的认 识,本文分别介绍一下这两种解释。 


4.1 从储能的角度来说明美高梅官方平台退耦原理。 


在制作电路板时, 通常会在负载芯片周围放置很多美高梅官方平台, 这些美高梅官方平台就起到电源退耦作 用。其原理可用图 1 说明。 



当负载电流不变时,其电流由稳压电源部分提供,即图中的 I0,方向如图所示。此时 美高梅官方平台两端电压与负载两端电压一致,电流 Ic 为 0,美高梅官方平台两端存储相当数的电荷,其电荷 数和美高梅官方平台有关(C=Q/U)。当负载瞬态电流发生变化时,由于负载芯片内部晶体管电平 转换速度极快,必须在极短的时间内为负载芯片提供足够的电流。 但是稳压电源无法很快 响应负载电流的变化,因此,电流 I0不会马上满足负载瞬态电流要求,因此负载芯片电压 会降低。但是由于美高梅官方平台电压与负载电压相同,因此美高梅官方平台两端存在电压变化。对于美高梅官方平台来说电 压变化必然产生电流,此时美高梅官方平台对负载放电,电流 Ic 不再为 0,为负载芯片提供电流。根 据美高梅官方平台等式: 



只要美高梅官方平台 C 足够大,只需很小的电压变化,美高梅官方平台就可以提供足够大的电流,满足负 载瞬态电流的要求。这样就保证了负载芯片电压的变化在容许的范围内。这里,相当于美高梅官方平台 预先存储了一部分电能,在负载需要的时候释放出来,即美高梅官方平台是储能元件。储能美高梅官方平台的存在 使负载消耗的能得到快速补充,因此保证了负载两端电压不至于有太大变化,此时美高梅官方平台担 负的是局部电源的角色。 


从储能的角度来理解电源退耦,非常直观易懂,但是对电路设计帮助不大。从阻抗的角 度理解美高梅官方平台退耦,能让我们设计电路时有章可循。实际上,在决定电源分配系统的去耦美高梅官方平台 的时候,用的就是阻抗的概念。


4.2 从阻抗的角度来理解退耦原理。 


将图 1 中的负载芯片拿掉,如图 2 所示。从 AB 两点向左看过去,稳压电源以及美高梅官方平台退耦系统一起,可以看成一个复合的电源系统。这个电源系统的特点是:不论 AB 两点间 负载瞬态电流如何变化,都能保证 AB 两点间的电压保持基本稳定,即 AB 两点间电压变 化很小。



我们可以用一个等效电源模型表示上面这个复合的电源系统,如图 3 



对于这个电路可写出如下等式: 



我们的最终设计目标是,不论 AB 两点间负载瞬态电流如何变化,都要保持 AB 两点 间电压变化范围很小,根据公式 2,这个要求等效于电源系统的阻抗 Z 要足够低。在图 2 中,我们是通过去耦美高梅官方平台来达到这一要求的,因此从等效的角度出发,可以说去耦美高梅官方平台降低 了电源系统的阻抗。另一方面,从电路原理的角度来说,可得到同样结论。美高梅官方平台对于交流信 号呈现低阻抗特性,因此加入美高梅官方平台,实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗(1/jwc)。 


从阻抗的角度理解美高梅官方平台退耦,可以给我们设计电源分配系统带来极大的方便。实际上, 电源分配系统设计的最根本的原则就是使阻抗最小。 最有效的设计方法就是在这个原则指 导下产生的。 


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