電源分配系統及電源完整性

所謂電源分配系統（PDS）是指將電源（Power Source）的功率分配給系統中各個須要供電的設備和器件的子系統。在全部的電氣系統中均存在電源分配系統，譬如一棟大樓的照明系統，一臺示波器，一塊PCB板，一個封裝，一個芯片，其內部均存在電源分配系統。

1. PCB上的電源分配系統

在通常的產品中，電源分配系統包含從電壓調節模塊（VRM）到PCB板、封裝，再到芯片內全部的互連。可分爲四個區段：

1. 電壓調節模塊（VRM）包括其濾波電容——電源；

2. PCB板上的Bulk電容、高頻去耦電容、互連線、過孔、電源/地平面——PCB上的電源分配系統；

3. 封裝管腳、鍵合線、互連及嵌入式電容器——封裝上的電源分配系統；

4. 芯片內互連及電容等——芯片內的電源分配系統。

本文主要討論第2部分，即PCB上的電源分配系統，其他內容均不在本文的討論範圍以內。

所謂PCB上的電源分配系統是指PCB上將電源（Power Source）的功率分配給各類須要供電的芯片和器件的系統。本文主要關注PCB上的電源分配系統，因此咱們約定下文中提到的電源分配系統或者PDS均指的是PCB上的電源分配系統。

電源分配系統的做用是傳輸正確穩定的電壓，其含義是使得在PCB上全部位置的電壓在任何的負載的狀況下都可以保持正確和穩定。研究電源分配系統正確穩定地工做的相關內容，咱們稱之爲電源完整性問題。

2. 電源完整性

所謂電源完整性是指系統供電電源在通過電源分配系統後在須要供電的器件端口處相對於該器件端口對工做電源要求的符合程度。

通常而言，PCB上須要供電的器件對於工做電源都有必定的要求，以芯片爲例，一般表現爲三個參數：

1. 極限供電電壓：指芯片的供電管腳所能承受的極限的供電電壓。芯片的供電電壓不能超過該參數的要求範圍，不然可能會對芯片形成永久性的損傷；在該範圍內，芯片的功能是不被保證的；芯片處於該參數的極限值必定時間，將會影響芯片的長期穩定性；

2. 推薦工做電壓：指要使得芯片正常可靠地工做，芯片供電管腳的電壓需保證知足的範圍，一般用「V±x%」來表示，其中V是芯片供電管腳典型的工做電壓，x%爲容許的電壓波動範圍，常見的x爲5或者3；

3. 電源噪聲：指要使得芯片正常可靠地工做，芯片供電管腳電壓上容許的紋波噪聲，一般用其峯-峯值來表徵。

芯片的Datasheet一般會提供對「極限供電電壓」和「推薦工做電壓」的要求，對於「電源噪聲」不必定會單獨提供，這時它可能被包含在參數「推薦工做電壓」之中。而「電源噪聲」是本文論述的重點，後續將單獨討論。

以上述的例子來講明，電源完整性的問題就是討論系統供電電源通過電源分配系統後在芯片不一樣的供電管腳處相對於該芯片管腳對供電電源的「極限供電電壓」、「推薦工做電壓」和「電源噪聲」等要求的符合程度。

3. 電源分配系統的三種特性

電源分配系統的物理介質多種多樣，包括接插件（Connector）、線纜、傳輸線（Trace）、電源層（Power Plane）、地層（GND Plane）、過孔（Via）、焊錫、焊盤（Pad）、芯片管腳等等，它們的物理特性（材料、形狀、尺寸等）各不相同。因爲電源分配系統的目的是將系統電源的功率提供給須要供電的器件，提供穩定的電壓和完整的電流回路，因此咱們僅關注電源分配系統的三種電氣特性：電阻特性，電感特性和電容特性。

3.1 電阻特性

電阻是表徵導體對直流電流的阻礙做用的物理量，一般用R表示，它的主要物理特徵是當有電流I流過期將電能轉化爲熱能（I²R），並在其兩端產生直流壓降（IR）。

電阻是導體自己的特性，它與導體的溫度，材料，長度和橫截面積相關，由式1.1決定：

(

1.1)

——導體的電阻率

——導體的長度

——導體的橫截面積

其中是導體的物理特性且與溫度有關，金屬的電阻率通常隨着溫度的升高而升高。

在電源分配系統中到處都存在電阻：線纜和接插件存在直流電阻和接觸電阻，銅線、電源層、地層、過孔均存在分佈電阻，焊錫、焊盤、芯片管腳均存在直流電阻且它們之間存在接觸電阻。

這些電阻在有電流流過期，會產生兩種效應：

Ø 直流壓降（IR Drop）：該效應會致使電源電壓沿着電源分配網絡而逐漸下降，或者致使參考地的電壓升高，從而下降需供電器件端口的電壓，引發電源完整性問題；

Ø 熱損耗（Thermal Power Dissipation）：該效應將電源的功率轉換爲熱，同時形成系統溫度升高，危害系統的穩定性和可靠性。

將電源分配系統的電阻和負載等效爲如圖 1.1所示的電路：

圖 1.1 電源分配系統的電阻和負載的等效電路圖

其中，V_source表示電源電壓，V_output表示輸出電壓，R_S表示電源內阻，R₁表示電源路徑上的分佈電阻，R₂表示返回路徑上的分佈電阻，假設迴路電流爲I，則負載的供電電壓如式1.2所示：

(

1.2)

R_S上的壓降IR_S會減少電源的輸出電壓V_output，電源路徑上的壓降IR₁減少負載的供電電壓V_cc，返回路徑上的壓降IR₂擡高負載的GND電平。上述的電阻R_S 、R₁ 、R₂的壓降均會致使負載的供電電壓V_CC-GND的減少，引發電源完整性的問題。

電源分配系統的電阻上產生的熱損耗會使得電源的功率轉換爲熱而白白耗散掉，從而下降系統的效率。同時發熱會引發系統溫度升高，下降部分器件（好比電解電容）的壽命從而影響系統的穩定性和可靠性，某些區域電流密度過大還會引發局部溫度持續升高甚至燒燬。

從上述分析能夠看出，這兩種效應對系統均是有害的，且它們的影響與電阻阻值的大小成正比，所以減少電源分配系統的電阻特性是咱們的設計目標之一。

3.2 電感特性

電感是表徵導體對交變電流阻礙做用的物理量。當導體中流過電流時，在導體周圍會造成磁場，當電流發生變化時，磁場也會隨之變化，變化的磁場將在導體兩端造成感應電壓，該電壓的極性將使所產生的感應電流阻礙原電流的變化；當導體周圍的其餘導體中有電流變化引發該導體周圍的磁場變化，一樣會在該導體中產生感應電壓，該電壓的極性將使所產生的感應電流阻礙原電流的變化。這種導體阻礙電流變化的做用稱爲電感，前者稱爲自感L，後者稱爲互感M。在這裏咱們直接給出互感的兩個特性：

Ø 對稱性：兩個導體a和b，無論大小、形狀和相對位置如何，導體a對導體b的互感與導體b對導體a的互感相等，即互感是兩個導體同等共有的；

Ø 互感小於自感：任意兩個導體的互感小於兩者中任意一個導體的自感。

上述電流變化產生的感應電壓的值由式1.3和1.4決定：

(

1.3)

(

1.4)

這種由電流變化引發的感應電壓在信號完整性（包括電源完整性）中意義重大，它能夠引發傳輸線效應、突變、串擾（Crosstalk）、同步開關噪聲（SSN）、軌道塌陷（Rail Collapse）、地彈（Ground Bounce）和大多數的電磁干擾（EMI）。

在電源分配系統中，電感廣泛存在，接插件、線纜、銅線、電源層、地層、過孔、焊盤、芯片管腳等均存在電感，同時相互靠近的導體之間存在互感。

爲了便於分析，考慮如圖 1.2所示的電流回路，平行的支路a與支路b及短暫的折回構成完整的電流回路。這種結構是很是常見的，支路a能夠表示信號路徑或者電源路徑，支路b表示其返回路徑，好比芯片封裝上的相鄰的電源管腳和返回管腳（地管腳），去耦電容到芯片管腳的電源過孔和返回過孔（地過孔），PCB上相鄰的電源平面和返回平面（地平面）。

圖 1.2 兩個支路的電流回路：初始電流和返回電流

假設支路a的局部自感爲L_a，支路b的局部自感爲L_b，這兩條支路之間的局部互感爲M，迴路中的電流爲I。因爲兩條支路平行且流過的電流方向相反，因此它們產生的磁場方向相反，假設I增大，對支路a而言，L_a產生的感應電壓的極性會阻礙支路a中I的增大，而M產生的感應電壓的極性卻會幫助支路a中I的增大。因此支路a的總電感爲支路a的自感和兩支路互感的差，支路b的總電感同理可得，如式1.5和1.6式所示：

(

1.5)

(

1.6)

結合式1.3和式1.4，當迴路電流I變化時，在支路a和支路b引發的感應電壓分別爲：

(

1.7)

(

1.8)

若是以支路a表示電源路徑，以支路b表示返回路徑，則V_a表示電源路徑上的電源噪聲（軌道塌陷/電源反彈），V_b表示返回路徑上的軌道塌陷/地彈噪聲。這兩種噪聲均會致使供電電壓的不穩定，引發電源完整性的問題，所以咱們的設計目的之一就是最小化上述的兩種電壓，有兩條途徑：

Ø 儘量減少迴路電流的變化率：這意味着需減少負載汲取電流的突變速度，限制共用電源路徑和返回路徑的供電端口的數目；

Ø 儘量減少支路總電感：這意味着需減少支路的局部自感和增大兩支路之間的局部互感，減少支路的局部自感意味着需使用盡量短、儘量寬的電源路徑和返回路徑，增大局部互感則意味着需使兩條支路在平行且反向的前提下儘量地靠近。

從上述分析能夠看出，電流變化時由電感引發的感應電壓是電源完整性中許多問題的根源，所以減少電源分配系統的上述的感應電壓是咱們的設計目標之一。

3.3 電容特性

電容是對兩個導體在必定電壓下存儲電荷能力的度量。若是給兩個導體分別加上正電荷和負電荷，則兩個導體之間就會存在電壓。這對導體的電容量就是單個導體上所存儲的電荷量與導體間電壓的比值：

(

1.9)

——表示電容，單位爲法拉（F）

——表示電荷數，單位爲庫倫（C）

——表示導體間電壓，單位爲伏特（V）

當兩個導體間的電壓發生變化時這兩個導體之間會有電流流過，流過的電流能夠表示爲式1.10：

(

1.10)

當dV/dt保持不變時，電容量C越大，流過電容的電流就越大，也就是說電容能夠以電壓變化爲代價向外提供電流，只要電容C足夠大，只要很小的電壓變化就能夠提供足夠大的電流。

在電源分配系統中電源路徑和返回路徑之間存在電容，其等效電路如圖 1.3所示：

圖 1.3 電源路徑與返回路徑之間的電容的等效電路圖

Ø 當負載電流不變時，其電流由穩壓電源部分提供，即圖中的I_S，此時電容兩端電壓與負載兩端一致，I_C=0；

Ø 當負載瞬態電流發生變化時，必須在極短的時間內爲負載芯片提供足夠的電流。可是電源沒法很快響應負載電流的變化，即電流I_S不會立刻知足負載瞬態電流要求，負載的電壓會下降。可是因爲電容電壓與負載電壓相同，所以電容兩端存在電壓變化。對於電容來講電壓變化必然產生電流，此時電容對負載放電，電流I_C再也不爲0，爲負載芯片提供電流。

從上述分析能夠看出，電源分配系統的電容能夠爲負載提供瞬態電流，阻礙電壓瞬態變化，對於負載的供電端口的電源完整性是有益的，因此加強電源分配系統的電容特性是咱們的設計目標之一。

4. 小結

電源分配系統是本文主要的討論對象，研究其工做的相關內容是電源完整性的問題。電源分配系統分別具備電阻特性、電感特性和電容特性，電阻特性和電感特性對電源完整性是有害的，電容特性對電源完整性是有益的。咱們的設計目標是減少甚至消除電阻特性和電感特性的影響，加強電容特性的影響。