产业观察丨如何有效处理电源完整性问题？

随着PCB设计复杂性的增加，信号完整性的分析不仅包括反射、串扰及EMI，稳定可靠的电源供应亦成为研究的关键领域之一。尤其在低压大电流和高速设计供电环境中，电源的波动可能导致严重后果，因此提出了“电源完整性”，即PI(power integrity)的概念。

什么是电源完整性?

在板级设计中，信号完整性(SI)、电源完整性(PI)以及电磁兼容性(EMC)是三个核心问题。信号完整性确保数字电路的正常运作及芯片间的有效通信;电源完整性则确保系统具备稳定的供电和良好的噪声抑制能力;电磁干扰(EMI)则关注PCB板级电路系统不干扰其他系统，同时也不受其他系统干扰。可以说，电源完整性是信号完整性和电磁兼容性的基础。

电源完整性设计涵盖整个供电系统的各个环节，自电源起始，依次经过滤波电容、PCB走线、过孔，直至负载芯片封装内部的die。鉴于实际电流消耗是在负载芯片上发生，电源完整性设计不仅包含VRM(电源芯片)、PCB上的电容、PCB上的电源与地平面，还涉及芯片封装内的电容、封装内的电源与地网络，以及Die上的电容。电源完整性作为一个系统级概念，系统中任何细微的变化均可能对整体性能产生影响。

PI设计的目标旨在为负载芯片提供稳定电压，并确保该电压能够保持在极小的容差范围内，例如5%或3%的要求。

在理想状态下，电源的阻抗应为零，从而确保电源网络内各点的电压恒定，等同于电源的输出电压。但现实中，电源网络往往遭受显著的噪声干扰，一旦干扰程度超出一定阈值，便会对系统的正常运行造成影响。

电源系统的噪声受多种因素影响，主要包括以下方面：

首先，稳压电源芯片的输出电压纹波是开关电源斩波工作模式的固有特性，此类噪声难以避免。尽管线性电源具有较好的输出纹波特性，且自身输出噪声较低，但由于输出功率有限，转换效率不高，因此在多数应用场景中，仍需选择开关电源。

其次，稳压电源无法实时响应负载电流变化，导致产生电压噪声。稳压电源通过感知输出电压变化，调整输出电流，以维持额定电压值。然而，当负载电流快速变化或稳压电源的环路设计不当时，稳压电源无法及时提供足够的电流，输出电压将出现上下波动，进而产生电源噪声。

第三，负载瞬态电流在电源路径和地路径上产生的电压降也会引起电源噪声。PCB板上的任何电气路径均存在阻抗，无论是完整的电源平面还是电源引线。对于多层板，通常设有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，供电电流流经电源平面，到达负载电源引脚。地路径与电源路径类似，但电流路径变为地平面。完整平面的阻抗较低，但并非不存在。若使用引线而非平面，路径上的阻抗将更高。此外，引脚及焊盘本身存在寄生电感，瞬态电流流经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瞬态电流变化而波动，这是阻抗引起的电源噪声。

最后，负载芯片在开关状态时瞬间变化的电流引起的同步开关噪声(SSN)也是一种电源噪声。瞬间变化的电流在经过回流途径上存在的电感时，形成交流压降，从而产生噪声，因此也称为∆i噪声。同步开关噪声主要伴随器件的同步开关输出产生，开关速度越快，瞬间电流变化越明显，电流回路上的电感越大，产生的SSN越严重。因此，SSN并非完全是电源问题，其对电源完整性的影响主要表现为地弹和电源反弹现象。

如何获得好的PI

想要获得一个好的电源供电系统，“设计+仿真+测试”，每一步都不能少。

设计是基础

PI(电源完整性)研究的主要内容是探讨如何确保稳压模块的输出能够通过传输路径稳定地传递至负载的接收端。该研究主要涉及稳压电源和传输路径两个核心组成部分。

稳压电源的设计是一项涉及众多因素的复杂过程，主要包括以下方面：

1. Power tree设计

2. 环路稳定性设计

3. 布局布线设计

此外还包括电源拓扑选择、电源EMI设计等等。

传输路径的设计也包括很多内容，如以下几点：

1. 电源目标阻抗设计

2. 去耦电容设计

3. PCB的叠层设计

4. PCB的分割、布局和电源平面分配设计

此外还包括地平面处理、电源滤波等等

仿真是手段

如果设计是基础，那么仿真就是对于设计的优化手段，电源完整性仿真的内容很多，主要包括以下几个方面：

1. 板级电源通道阻抗仿真

电源网络的目标阻抗设计要求，是在特定频率范围内确保电源网络的阻抗值不超过既定目标。通过仿真分析获得的PDN曲线，能够识别出阻抗超标的频点或频段。针对这些超标区域，可采取添加电容器进行去耦的措施，以实现该频段阻抗的降低，确保其低于预设的目标阻抗值。

2. 板级直流压降仿真

直流压降(IRdrop)仿真旨在模拟电源平面层的直流电压降低情况，并分析过孔及铜皮的电流密度分布与流向，以评估平面层的载流性能。

芯瑞微(上海)电子科技有限公司的PhysimDC可以针对电源完整性中直流压降(IRdrop)进行仿真分析，关注主要仿真电源平面层的直流电压降，以及过孔、铜皮的电流密度和电流方向，从而得到平面层的载流能力状况。通过监测负载电流的消耗状况，可对各电源平面上点的直流压降及电流密度进行考察，以判断其是否超出铜皮的载流极限。

PhySim DC电源网络电压分布云图
 

PhySim DC电流密度分析

3. 板级谐振仿真

谐振是指能量被夹在两个平行板之间，因原始信号与其反射信号同相而形成的共振腔效应，在谐振频率点附近，平面对地阻抗变得很大，将会导致电源完整性问题。另外谐振点若与器件工作频率相同，将引起共振，共振幅度较大将导致性能下降。

其中平面阻抗和谐振分析称为电源的AC仿真，直流压降和电流密度仿真为DC仿真。

测试是检验

在硬件设计领域，测试是验证设计正确性的唯一准则。由于仿真过程中可能存在模型与参数的误差，测试成为反映设计真实性的关键环节。针对电源完整性部分的测试，主要可划分为以下几个主要方面。

1. 纹波、噪声测试

纹波与噪声测试是电源完整性检测的基础项目。在进行此类测试时，以下要点需关注：

(1)测试纹波时，通常在电源输出电容端进行;而测试噪声时，则在负载端的滤波电容端进行。

(2)测试纹波与噪声时，应设置不同的带宽限制。

(3)采用高比特示波器(如10比特、12比特)以提高测量精度。

(4)测试时，应选择示波器最小量程档位，以获得最低的本底噪声。

(5)使用AC耦合或隔直电容可能掩盖电压跌落现象或滤除低频信号，因此采用DC耦合进行测量至关重要。若示波器不支持较大偏移量，可使用专业测试探头。

(6)注意设置输入阻抗，以降低探头与示波器构成的负载效应。

(7)根据测试需求进行带宽限制，并确保接地线尽可能短，以减少外部杂讯干扰。

2. 激励响应测试

激励-响应测试是通过向被测试设备输入特定的模拟或数字信号作为激励，并同步收集该设备的响应信号，进而通过对比分析激励信号与响应信号，以检测设备的特性或诊断潜在的故障。在电源完整性测试的过程中，测试人员会在输出电压上利用信号发生器叠加任意的激励波形，并在负载端监测传输的波形，以此来评估电源的传输质量。

3. 环路稳定性测试

在评估环路稳定性时，主要方法包括Bode图法和动态负载测试法。对电源实施动态负载测试，可以用于检测环路稳定性。然而，若环路不稳定，为确定问题发生的具体位置，则需采用Bode图测试，观察增益-相位曲线，以进行深入分析。

4. PDN测试

在对PDN(电源分配网络)阻抗曲线的仿真正确性进行验证时，我们可通过采用VNA(矢量网络分析仪)进行实际测量，以此对比仿真结果与实测数据，分析二者之间的差异。

此外，还包括电压跌落测试、电源通道电流测试等项目。

鉴于电源的稳定性是确保产品正常运行的关键要素，PI设计因此在电子产品开发中占据着至关重要的地位。