高速电路板电源完整性问题分析及解决方案

信息通信2020(Sum. No 209)INFORMATION & COMMUNICATIONS高速电路板电源完整性问题分析及解决方案侯永彬王志成2(1.中华通信系统有限责任公司河北分公司;2,中国电子科技集团公司第54研究所,河北石家庄050081)摘要:从现阶段高速电路板(PCB)设计中遇到的电源完整性问题开始论述，包括同步开关噪声、非理想电源阻抗、谐振及

边缘效应等几方面,并论述了电源完整性在高速PCB设计中的重要性和现阶段研究先进的方法解决电源完整性问题的

必要性;接着介绍了应用两款软件Power Integrity和SIWAVE分别解决电源完整性中的阻抗和谐振问题的方法,并给出 分别应用软件解决实际问题的案例；最后说明应用新方法解决电源完整性问题的意义。关键词：电源完整性；电磁兼容;信号完整性中图分类号:TN41

文献标识码:A 文章编号:1673-1131(2020)05-0094-020引言在系统中，设备供电系统经过电源传输电路到达某一器件 时,供电电源特性与该器件的电源要求的相符程度,称为电源完 整性(PowerIntegrityPI)。在如今分析研究信号完整性的同时， 怎样给系统提供一个稳定、可靠的供电也成为了重点研究的方

向之一。随着器件的集成度越来越高,晶体管门数越来越大，器

随着器件开关速度越来越高，瞬间电流变化越来越明显, 电流回路寄生电感越来越大，因器件的同步开关输出(Simul­

taneous Switch Output, SSO)而产生的同步开关噪声越来越严

重。其基本公式如下= n•厶⑷＞•(〃/〃)

(1)件需要的供电的电流和功率越来越高，且供电电压越来越低,电

源完整性问题越来越突出,将电源的电压和地假设为绝对稳定

在上述公式中，I表示单个开关输出电流的大小，N表示

在同一时刻开关的驱动端数量,Lse表示整个回流路径上的电 感，而Ussn表示同步开关噪声的大小。开关噪声给信号传输带来的影响比较明显，由于地连线

状态的想法已经不能被接受。经过几十年的发展，信号完整性 分析研究的理论、实践方法比较成熟，有许多的EDA工具可以 用来解决信号完整性问题。相对来说，电源完整性是一门比较

新的技术，它在高速印制板设计中越来越重要。目前Cadence

或参考地平面存在的寄生电感在开关电流的作用下形成的电

压波动有可能对收发两端的信号波形都造成干扰，甚至因为

公司Allegro PCB软件中的Power Integrity模块和ansoft公司 的SIWAVE软件都支持电源完整性问题的分析及仿真。电源本身和地噪声的干扰发生数据意外翻转的现行。1.2谐振及边缘效应在系统中，电源平面可以等效成一个由许多电感和电容

组成的网络共振腔,在特定频率下，组成网络共振腔的电容和 电感会发生谐振现象，而使电源层的阻抗发生变化，如图2所

1电源完整性问题发生电源完整性问题的原因主要有两个:一，器件在高速

开关状态下，瞬态的交流电流极大；二，电源传输回路存在等 效电感。电源完整性问题从体现形式上，可以分为以下三种

情况：同步开关噪声(SSN)；谐振及边缘效应；非理想电源阻 抗。下面分别叙述。示。随着频率增加，电源阻抗也不断发生变化，尤其在并联谐

振效应越来越显著的时候，电源阻抗增加也越来越明显。图3

即为一个平面的谐振对阻抗的影响测量图。1.1同步开关噪声(SSN)如图1所示，在器件处于开关状态时,直流供电系统产生的 快速变化的电流经过传输回路上存在的等效电感时形成交流压

降，从而引起的噪声，称为同步开关噪声(SimultaiKous Switch

Noise,缩写SSN),有时也称Ai噪声。若是由于封装电感而引起

参考地平面波动，造成器件地和系统的参考地不一致,这种现象

称为地弹(Ground bounce),地弹现象也可归于同步开关噪声。图2噪声对电源的影响图3电源平面谐振现象除了上面讲述的谐振效应外，电源设计中也需要注意电

源平面和地平面的边缘效应问题，电源平面和地平面的边缘 效应一般体现为边缘的反射现象及辐射现象，这也会增加整

收稿日期= 2020-04-30作者简介:侯永彬(1983-),男，中华通信系统有限责任公司河北分公司，主要研究方向:高速PCB设计，射频电路设计。94

信息通信个电路板的辐射发射成为电磁兼容中的辐射源叫1.3非理想电源阻抗在理想化的供电系统中，电源阻抗为零，平面上的任何一

点电位都是恒定不变的(等于系统供给电压)，但是实际的供

电系统与理想化系统差别很大，其存在很大的噪声干扰，噪声

干扰在某些情况下都可能影响系统的正常工作。由于实际供电系统的电源阻抗非理想特性，使得实际供

电系统通过电源/地平面时产生电压变化。因此在电源完整性 设计中，对电源/地平面的阻抗的控制十分重要。2电源完整性设计2.1电源分配网络设计不理想的电源分配系统(Power Distribution System PDS)

很容易导致电源完整性问题，电源分配系统的主要作用是向 系统内的所有芯片提供足够的电源，系统中的这些芯片在需

要充足的功率消耗同时，对电源的平稳性也提出一定要求。由

于电源平面存在阻抗，在瞬时电流流经这些平面时会产生损 耗,导致压降和压值变化，即电源波动，为了使供电系统能够

满足系统内每个芯片的供电需求，需要对供电系统的等效

阻抗进行严格控制，即尽量降低系统阻抗。电源的分配网

络设计就是要尽量减小网络阻抗，实现电源完整性,尤其对

小电压、大电流的电源要进行重点设计。设计实例:在一个供电系统中,1.2V的电源最大瞬间电流

为0.7A,允许的波动为5%,则设计的最大电源阻抗应为：7 (正常电源电压)x(允许的波动范围)_ (1.2V)x(5%) “伽g ef = UM = 0.7A =(2)用Cadence公司Allegro PCB软件设计PCB,并用PCB

SI模块对电路板的阻抗进行仿真，结果如图4所示。图4初始仿真结果从图4的“阻抗-频率”曲线可看出在1.7M到4M, 59到

63M, 303M到351M超出目标阻抗。阻抗设计可以通过更改 电源地的电容数量或大小来改善，根据仿真超标的频段更改 板卡的电容数量和大小。更改后仿真结果如图5所示，可以

看到电源阻抗得到很好的改善。通过软件仿真可以验证PCB电源/地阻抗是否达标，根据

超标的频率设计更改加载的电容数量和大小，从而使正个PCB 的电源完整性的阻抗设计达到要求的目标阻抗值。侯永彬等:高速电路板电源完整性问题分析及解决方案图5更改后仿真结果2.2谐磁边缘效应设计在第一章12节介绍了电源平面可以等效成一个共振腔，共 振腔的谐振频率处对电源阻抗影响比较严重，另外对电路板边缘 辐射和反射造成影响，增大整个PCB的电磁干扰(EMI)换在 此我们可以釆用ansoft的SIWAVE软件进行全波的、基于有限元

方法的仿真,给出对PCB的谐振及边缘效应的解决方案。首先，计算谐振模式:①在电源地平面对系统结果布局布

线之前可以计算出平面内在的谐振模式，并通过计算查找在

目标阻抗要求时的谐振频率点；②查看谐振模式下的电压分 布图，并在大电流器件布局时避开谐振频率的电压峰值点，因

为这样容易引起共振。然后，基于电压分布情况，把去耦电容

放置于电压峰值处。除此之外，利于SIWAVE还可以对信号

完整性(SYZ等参数)进行仿真。通过SIWAVE软件对PCB的电源地谐振情况仿真，可直

观的发现整个PCB平面谐振较强点，并针对性的在特定位置

加载电容,再次仿真验证加载电容对整个PCB谐振改善情况o

2.3电源完整性设计小结电源完整性问题多釆用加去耦电容的方式进行改进，原

始的设计方法是加工电路板然后进行测试，在测试中遇到问

题再进行整改，而硬件设计工程师在印制板设计时都是通过

以前的经验加去耦电容，随着芯片的速率越来越高、芯片核心

电压越来越小、印制板密度越来越大等情况导致印制板设计

工程师的经验往往不能满足电源完整性设计的需要，通过用 仿真工具对电源分配网络和谐振模式进行仿真的方法，使硬

件设计工程师在设计之初就对整个PCB电源完整性性能有个

初步的认识，并且可以针对性的加去耦电容，直观的验证加去

耦电容的数量大小是否满足设计需求。3结语高速PCB设计对电源完整性设计要求越来越高,在深入 的理解电源完整性问题的理论基础上，采用先进的设计思路

和方法对PCB进行电源完整性的预设计，并在印制板加工之 前就确定如何设计去耦电容，根据印制板的实际情况确定电 容的种类、数量和摆放位置，这样可以有效的缩短设计周期和

节约成本。参考文献：[1]王志成.星载电子设备试验的电磁干扰三要素分析[J].无线电工程,2009(6).95