电源完整性分析

电源的作用是为系统提供稳定的电压及电流。电源完整性问题是指电源的电压、纹波及噪声不满足系统的工作要求，通过合理的电源供电网络设计可以减小电源塌陷等电源完整性问题，提高系统的稳定性。

1.电源分配网络

电流从供电模块输出，流经PCB板、芯片封装，最终到达负载芯片给其供电的完整供电路径称之为电源分配网络(PDN)，除此之外，它还包含有大量PCB板及芯片封装上的去耦电容。即电源分配网络是电流所经过的所有结构和器件组成的系统，如下图所示。

在上图所示的电源分配网络中，电流从电源模块(VRM)输出后经PCB板上的走线、过孔等结构，通过BGA焊球到达芯片封装，然后经过芯片封装上的走线，进入到封装内部的Die上，给芯片进行供电，其路径中还包括电阻、去耦电容、电感等无源器件。走线、过孔、电阻和去耦电容等都会给电源供电网络带来寄生电感、寄生电容和寄生电阻的影响，导致电源供电网络并不是理想的供电网络。另外，芯片内部的开关速度变得越来越高，供电电压变得越来越低，其对电源配送网络的设计提出了更高的要求。

2.同步开关噪声

在高速数字电路中，当数字集成电路加电工作时，它内部的门电路输出会发生从高到低或者从低到高的状态转换，这时会产生一个瞬间变化的电流△i，这个电流在流经回流路径上存在的电感时会形成交流压降，从而引起噪声，当同时发生状态转换的输出缓冲器较多时，这个压降将足够大，从而导致电源完整性问题，我们将这种噪声称为同步开关噪声(SSN)，也叫△i 噪声。

同步开关噪声主要是伴随着器件的同步开关输出(Simultaneous Switch Output，SSO)而产生，开关速度越快，瞬间电流变化越显著，电流回路上的电感越大，则产生的SSN越严重。基本公式为：V_SSN=NL_Loop(di/dt)，其中N是同时开关的驱动器的数目，L_Loop为整个回流路径上的电感，i是每个驱动端的电流，而V_SSN就是同步开关噪声的大小。这个公式看起来简单，但真正分析起来却不是那么容易，因为不但需要对电路进行合理的建模，还要判断各种可能的回流路径，以及分析不同的工作状态。

同步开关噪声的产生可以通过下图所示的原理图来解释，其中，封装模型包括自身的电感和封装之间的互电感(互电感没有在图中标出)，由于电阻对开关噪声的影响很小，为了简化讨论，这里忽略其影响，系统的接收器用电容表示。

我们可以将同步开关噪声分为两种：芯片内部(on-chip)开关噪声和芯片外部(off-chip)开关噪声。当驱动器3开关输出，驱动器1作为接收端时，产生的噪声称为芯片内部开关噪声；当驱动器1或驱动器2开关输出，将信号传输到系统的接收器时，产生的噪声称为芯片外部开关噪声。两种情况下封装电感的影响各不相同。

2.1芯片内部开关噪声

在上图中，当驱动器3跳变时，它必须对驱动器1的输入电容进行充放电。驱动器3由高电平到低电平转换时的电流路径如下图所示，驱动器3对驱动器1下方的电容进行放电，放电回路如虚线所示，电流完全在芯片内部，不会产生互连噪声；同时对驱动器1上方的电容充电，充电回路如实线所示。驱动器3出低到高转换时，驱动器主上方的电容被放电，同时下方的电容被充电，电流路径不变。

上图中，充电电流流经了封装中电源引脚电感L_p和地引脚电感L_g，而没有流经信号线电感L₁和L₂。由于L_p和L_g上通过的电流是反向的，所以封装总电感为：L=L_p+L_g-2M_pg，其中M_pg指L_p和L_g之间的互感。由于封装电感L和系统电源电感L_s上产生压降，则芯片实际得到的电源电压为：

因而，在开关的瞬间，加在芯片上的电源电压会下降，随后围绕V_s呈现阻尼振荡。

要将供电下降限制到最小，需要通过减小电感或者电流变化速率来减小感应噪声，通常可以采取的措施有：

⑴降低芯片内部驱动器的开关速率以减小di/di，但是当需要获得很高的时钟频率时，这种方法不可取。

(2)使用电源平面和地平面，并让电源平面和地平面尽量接近以获得最小的系统电源供电电感L_s。

(3)增加电源/地的管脚数目，缩短电源/地的管脚引线长度，以降低芯片封装中的电源和地路径的电感。

(4)电源和地管脚应成对分布并尽量靠近放置,以增加封装中电源和地路径的互感，从而减小封装总电感。

(5)给系统电源增加旁路电容，在此情况下驱动器3由高电平到低电平转换时的电流路径如下图所示，旁路电容可以给高频的瞬变交流信号提供低阻抗的旁路，而变化较慢的信号仍然走系统电源回路，因此产生的噪声电压变小。

(6)在芯片封装内部使用旁路电容，这样高频电流的回路电感会非常小，能在很大程度上减小芯片内部的同步开关噪声。

2.2芯片外部开关噪声

驱动器1出高电平到低电平转换时的电流路径如下图所示，驱动器1对进行放电，放电回路如虚线所示，同时对进行充电，充电回路如实线所示，充、放电电流都是从封装的地引脚流出，从信号线流回，不经过电源引脚；反之，驱动器1由低电平到高电平转换时，充、放电电流都是从信号线流出，从封装的电源引脚流回，不经过地引脚。

上图中，不考虑系统电源电感L_s，仅封装电感造成的电压降为：

所以，这时芯片地和系统地并不是保持同样的零电位，而是存在V_gb的电压波动，这种情况我们称之为地弹(Ground Bounce)。同样，低电平到高电平转换时，由于感应电压的影响，芯片内电源电压将低于系统电源电压，我们称之为电源反弹。

要减小地弹，可采取以下几种方法：

(1)降低驱动器的边沿速率，满足时序要求的最慢边沿速率将产生最小的噪声。

(2)减小封装回路电感，即减小自感或者增大互感。

(3)在芯片封装内部使用旁路电容，在这种情况下驱动器1从高电平到低平转换时的电流路径如下图所示，增加了额外的充电回路，封装的电源引脚和地引脚共同分担充电电流回路，从而减小电压波动。

对于电源反弹，可以采用类似的分析方法和抑制措施。