電源完整性設(shè)計【硬件干貨】

電源完整性是指電源波形的質(zhì)量，研究的是電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）。并從系統(tǒng)供電網(wǎng)絡(luò)綜合考慮，消除 / 降低噪聲對電源的影響。電源完整性的設(shè)計目標是把電源噪聲控制在運行的范圍內(nèi)，為芯片提供干凈穩(wěn)定的電壓，并使它能夠維持在一個很小的容差范圍內(nèi)（通常為 5% 以內(nèi)），實時響應(yīng)負載對電流的快速變化，并能夠為其他信號提供低阻抗的回流路徑。

電源噪聲的主要來源：

供電模塊（VRM，包括 LDO/DC-DC）的輸出噪聲

走線的直流電阻與寄生電感

同步開關(guān)噪聲（SSN）

電源與地平面諧振噪聲

臨近電源網(wǎng)絡(luò)耦合噪聲

其他部件耦合噪聲

大量的芯片引腳在進行邏輯狀態(tài)切換時，會有一個大的瞬態(tài)電流流過回路，造成地平面的波動，會造成芯片的地與系統(tǒng)地不一致，稱為地彈；造成芯片和系統(tǒng)的電源有差壓，稱為電源彈。在進行 PCB 疊層設(shè)計時，盡可能增大電源平面疊層之間的垂直距離，減少電源平面和地平面之間的垂直間距。

電源完整性設(shè)計策略

關(guān)注過孔、走線和電源平面的通流能力；當在一個平面上布置多個電源時，需要進行電源平面的分割，分割方式要簡潔合理，分割區(qū)域的大小要滿足載流能力的要求；

盡可能使電源平面與地平面成對相鄰出現(xiàn)，且盡可能接近；

關(guān)注去耦電容的設(shè)計，電容的去耦作用是有一定的距離要求的，即去耦半徑。電容焊盤的扇出方式推薦采用多過孔的方式。

關(guān)注同步開關(guān)噪聲（SSN，地彈和電源彈）的影響，可增加去耦電容；在滿足系統(tǒng)整體性能需求前提下，盡可能使用平緩的驅(qū)動信號（減緩驅(qū)動器的上升沿和下降沿時間）

電源完整性的測試項目

電壓值（精度）

測試儀器：萬用表

測試方法：分別在測試空載 / 滿載下測試

測試點：電源芯片輸出管腳、用電芯片的電源管腳

合格標準：一般在標稱電壓值 ±5% 范圍內(nèi)（根據(jù)芯片的電壓要求來確定）

電源噪聲 / 紋波

定義

紋波：出現(xiàn)在輸出端子間的一種與輸入頻率和開關(guān)頻率同步的成分，用有效值表示，一般在輸出電壓的 0.5% 以下

噪聲：出現(xiàn)在輸出端子間的紋波以外的一種高頻成分，也用峰 - 峰（peak to peak）值表示，一般在輸出電壓的 1% 以下

紋波噪聲：兩者合成，用峰 - 峰（peak to peak）值表示，要求一般在輸出電壓的 2% 以下

測試儀器：示波器

測試方法

分別在測試空載 / 滿載下測試

紋波：采用地線環(huán)靠接測量法（靠接測量），示波器設(shè)置帶寬（bandwidth）為 20MHz，直流偏置電壓（offset）為上面電壓精度測量值。

紋波噪聲：把示波器帶寬設(shè)置成全帶寬（Full）

測試點：輸出電容兩端

合格標準：

一般要求紋波 < 輸出電壓的 1%（在 20MHz 帶寬下測試，結(jié)果可視為單純的紋波）

一般要求紋波噪聲 < 輸出電壓的 2%（在全帶寬下測試，結(jié)果可視為紋波 + 噪聲）

注意事項

測試時注意就近原則，保持地環(huán)線最短

測試使用無源探頭

測試紋波時記錄其頻率，以便分析

電壓上下電波形

測試儀器：示波器

測試方法：示波器設(shè)置為上升 / 下降沿觸發(fā)，開關(guān)電源觀察上下電波形，能完整顯示出來以看出問題

測試點：電源芯片的輸出管腳、系統(tǒng)上的電源線

合格標準

電源輸出端電壓上下電過沖一般要求不超過被測電壓的 10％。在芯片前端測試時，可參考電平通用標準

電源上電時電壓不得有很大的跌落，下電時不能有很大的反沖和回勾（跌落和反沖不能跨越芯片啟動工作電壓），如出現(xiàn)臺階現(xiàn)象需要評估影響。

如果出現(xiàn)負電壓，就需要結(jié)合實際情況討論

注意芯片的上下電時序要求

注意事項：需要遍歷系統(tǒng)上下電、單板插拔、電源板插拔的情況

緩啟動電路參數(shù)

測試儀器：示波器

測試方法：使用多通道測試，上電觀察時間差

測試點：一路在緩啟動之前的電路，一路在緩啟動之后

合格標準

延遲時間（??????）：一般要求其范圍 20 ～ 200ms

上升時間（?????，輸出電壓從 10% 上升到 90% 的時間）：要求其范圍越小越好，但同時要求沖擊電流滿足合格標準

沒有多次振蕩現(xiàn)象

注意事項：需要遍歷系統(tǒng)上下電、單板插拔、電源板插拔的情況

電源電流和沖擊電流

測試儀器：示波器

測試方法：

電源電流：使用電流探頭，觀察電源上電電流波形和上電后電流的平穩(wěn)波形

沖擊電流：同上。上電沖擊電流最好在冷機時測試（沖擊電流最大）；下電沖擊電流最好在單板滿載時進行

測試點：將電流探頭卡在被測試電流通路上

合格標準

電源電流穩(wěn)定值不能超過 90％ 最大額定輸出電流

沖擊電流值不能超過額定輸出電流的 5 倍（3 倍以上應(yīng)引起注意）

任何情況下的電流一定要大于電源的最小負載，且須滿足最大容性負載要求

注意事項

需要遍歷系統(tǒng)上下電、單板插拔、電源板插拔的情況

測試沖擊電流，需要取下感性元件如電感，因為感性器件本身具有抑制沖擊電流的作用。

電源告警信號

測試方法：使系統(tǒng)產(chǎn)生告警條件，測試告警信號的電平大小

測試點：告警信號的接收末端

合格標準：參考電源芯片的規(guī)格書

冗余電源的均流參數(shù)

測試方法：用測試電源輸出電流的方法，測試冗余電源的每路電流的輸出值，比較每路輸出電流的大小

測試點：冗余電源的每路電流輸出鏈路

合格標準：系統(tǒng)電源、其冗余電源（均流）的各路電流輸出值相差 10％ 以下