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目录
一.电源完整性
1.1电源完整性的核心概念
- 电源完整性（PI）是确保电子设备中电源从源头到芯片引脚处的电压和电流稳定符合要求的技术。若电源不稳定，可能导致芯片误动作、性能下降或干扰其他部件。
1.2电源完整性的三个关键目标
电压稳定性
- 芯片电源引脚的电压波动需控制在允许范围内（例如1V电压的误差不超过±50mV）。电压噪声或纹波过大会导致芯片工作异常。
减少地弹噪声
- 当芯片内部大量开关电路同时切换状态时，电流突变会通过接地引脚的电感产生电压波动（即地弹），可能引发逻辑错误。例如，高速数字电路中地弹可能导致输入信号被误判。
抑制电磁干扰
- 电源网络是电路板上最大的导体，容易像天线一样辐射或接收噪声。良好的PI设计能减少电磁干扰（EMI），确保设备符合电磁兼容（EMC）标准。
1.3地弹现象的通俗解释
什么是地弹？
- 芯片内部“地”电平会因电流突变而波动，而电路板“地”是稳定的。这种差异就像芯片内部的“地”在跳动，故称为“地弹”。
产生原因
- 引脚存在寄生电感（电流变化时产生感应电压）。
- 例如：负载电容放电时，瞬间大电流流经接地电感，导致芯片内外“地”之间出现电压差（如图中的VG）。
实际影响
- 芯片A的地弹会抬高其内部参考地，使得输入信号（如来自芯片B）在A看来叠加了噪声，可能被误判为高电平。
- 类比：站在摇晃的船（芯片地）上看岸上的旗子（输入信号），会觉得旗子在摆动。
1.4总结要点
- PI的本质：管理电源网络的电压、电流和噪声。
- 地弹的根源：引脚电感 + 快速电流变化 → 内部地电平波动。
- 解决方法：降低电源阻抗、优化布局（如缩短引线）、增加去耦电容等。
二.电源分配网络（PDN）的作用
电源分配网络的核心目标是确保所有器件或芯片获得稳定、干净的电源供应。其作用可归纳为两点：
- 提供充足电流：满足不同器件在不同工作状态下的电流需求，避免因电流不足导致电压下降或性能不稳定。
- 维持电压稳定：抑制电源噪声（如高频开关噪声、瞬态电流引发的电压波动），确保电压波动在允许范围内。
电源与GND网络的阻抗特性
电源和地网络并非理想导体，实际分布着电阻（R）、电感（L）、电容（C）构成的阻抗（Z）。阻抗的存在会影响电源稳定性，尤其在高速或大电流场景下。
关键阻抗类型
直流阻抗（电阻R）
- 由走线/平面的材料（如铜箔）和几何形状（长度、截面积）决定。
- 公式：
\( R = \rho \cdot \frac{L}{A} \)
其中\(\rho\)为电阻率，\(L\)为长度，\(A\)为截面积。- 影响：电流通过时产生压降（IR Drop），可能导致远端器件供电电压不足。
交流阻抗（电感L+电容C）
- 寄生电感：来自电源路径的走线、过孔、封装引脚等。高频电流变化时（\(di/dt\)），电感会引发电压噪声（\(V = L \cdot \frac{di}{dt}\)）。
- 寄生电容：电源层与地层之间的天然电容，能临时存储电荷，缓解瞬态电流需求。
降低阻抗的关键方法
优化叠层设计
- 使用薄介质层（如4mil以下）增加电源/地平面间的电容，减少高频阻抗。
- 采用多层板，确保电源和地平面紧密相邻（如相邻层）。
增加去耦电容
- 在芯片电源引脚附近放置不同容值的电容：
- 大电容（如10μF）应对低频噪声。
- 小电容（如0.1μF）滤除高频噪声。
- 电容的摆放需尽量靠近芯片，减少寄生电感影响。
缩短电流路径
- 减小电源/地回路面积，降低寄生电感。例如：
- 使用多个过孔并联连接电源层和地层。
- 避免长而窄的走线。
降低平面阻抗
- 用宽铜箔或实心平面替代细走线，减少直流电阻。
- 在电流密集区域（如CPU供电）采用网格铜或厚铜设计。
简单类比理解
- 电源网络像供水系统：阻抗相当于水管中的“阻力”。
- 粗水管（低阻抗）能稳定供水（电流），即使突然开多个水龙头（瞬态负载），水压（电压）也不会剧烈波动。
- 细水管（高阻抗）会导致远端水压不足（IR Drop），快速开关水龙头还会引发水锤（电压噪声）。
三.电源噪声余量计算步骤
芯片的工作电压范围是3.13V~3.47V，稳压芯片标称输出电压为3.3V，实际电路板输出为3.36V。
容许的电压变化范围：3.47V - 3.36V = 110mV。
稳压芯片输出精度为±1%，即允许波动：3.36V × 1% = ±33.6mV。
电源噪声余量：110mV - 33.6mV = 76.4mV。电源噪声计算关键点
- 稳压芯片输出精度：需确认实际输出值是否在标称误差范围内。
- 工作环境：温度、湿度等环境因素可能影响稳压芯片性能。
- 负载情况：负载电流变化会直接影响稳压芯片输出电压。
- 噪声分配：电源噪声仅是信号噪声的一部分，需预留余量给反射、串扰等其他问题。
- 电压等级与电路类型：低电压和模拟电路对噪声更敏感，余量需更严格。
电源噪声主要来源
- 稳压芯片纹波：输出非理想直流，存在周期性波动。
- 瞬态响应延迟：负载电流快速变化时，稳压芯片响应速度不足（通常超过200kHz时出现电压跌落）。
- 路径阻抗压降：电源和地路径的阻抗导致瞬态电流产生压降。
- 外部干扰：其他电路或环境噪声耦合到电源系统。
去耦电容的作用
- 储能作用：通过公式 ( I = C \frac{dV}{dt} )，电容在负载瞬态变化时快速放电，弥补电流需求。
- 降低阻抗：通过公式 ( \Delta V = Z \cdot \Delta I )，电容与电源系统共同维持电压稳定。
实际电容特性：
- 等效串联电阻（ESR）和寄生电感（ESL）会限制高频性能。
- 电容在低频时呈容性，高频时呈感性，谐振点阻抗最小。
平面电容的应用
平面电容由电源层和地层之间的电场形成，适合高频去耦。
计算公式：
[ C = \frac{\varepsilon_0 \varepsilon_r A}{h} ]
- 例如：FR-4板材（εᵣ=4.5）、1平方英寸面积、4 mil间距时，电容约为253pF。
- 优点：高频响应快，适合高速设计。
目标阻抗与电容选择
目标阻抗公式：
[ Z_{target} = \frac{V_{ripple}}{\Delta I_{max}} ]
- 例如：允许纹波2.5%，负载最大瞬态电流1A，目标阻抗需≤25mΩ。
电容组合示例：
- 680μF钽电容（低频）+ 2.2μF/0.22μF/0.022μF陶瓷电容（高频）。
- 目标：在500kHz~150MHz范围内保持阻抗低于33mΩ，抑制反谐振峰。
总结建议
- 优先降低路径电感：优化布局，缩短电容与芯片的连接距离。
- 分层设计：使用电源-地平面层增强高频去耦。
- 多电容组合：覆盖宽频段，避免单一电容的局限性。
- 实测验证：通过示波器或网络分析仪检查实际噪声和阻抗。
