電源噪聲問(wèn)題

 

隨著(zhù)超大規模集成電路工藝的發(fā)展，芯片工作電壓越來(lái)越低，而工作速度越來(lái)越快，功耗越來(lái)越大，單板的密度也越來(lái)越高，因此對電源供應系統在整個(gè)工作頻帶內的穩定性提出了更高的要求。電源完整性設計的水平直接影響著(zhù)系統的性能，如整機可靠性、信噪比與誤碼率及EMI/EMC等重要指標。板級電源通道阻抗過(guò)高和同步開(kāi)關(guān)噪聲SSN過(guò)大會(huì )帶來(lái)嚴重的電源完整性問(wèn)題，這些會(huì )給器件及系統工作穩定性帶來(lái)致命的影響。PI設計就是通過(guò)合理的平面電容、分立電容、平面分割應用確保板級電源通道阻抗滿(mǎn)足要求，確保板級電源質(zhì)量符合器件及產(chǎn)品要求，確保信號質(zhì)量及器件、產(chǎn)品穩定工作。

 

芯片內部有成千上萬(wàn)個(gè)晶體管，這些晶體管組成內部的門(mén)電路、組合邏輯、寄存器、計數器、延遲線(xiàn)、狀態(tài)機、以及其他邏輯功能。隨著(zhù)芯片的集成度越來(lái)越高，內部晶體管數量越來(lái)越大。芯片的外部引腳數量有限，為每一個(gè)晶體管提供單獨的供電引腳是不現實(shí)的。芯片的外部電源引腳提供給內部晶體管一個(gè)公共的供電節點(diǎn)，因此內部晶體管狀態(tài)的轉換必然引起電源噪聲在芯片內部的傳遞。

 

對內部各個(gè)晶體管的操作通常由內核時(shí)鐘或片內外設時(shí)鐘同步，但是由于內部延時(shí)的差別，各個(gè)晶體管的狀態(tài)轉換不可能是嚴格同步的，當某些晶體管已經(jīng)完成了狀態(tài)轉換，另一些晶體管可能仍處于轉換過(guò)程中。芯片內部處于高電平的門(mén)電路會(huì )把電源噪聲傳遞到其他門(mén)電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門(mén)電路此時(shí)處于電平轉換的不定態(tài)區域，那么電源噪聲可能會(huì )被放大，并在門(mén)電路的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖干擾，進(jìn)而引起電路的邏輯錯誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過(guò)內部門(mén)電路的傳播，還可能會(huì )觸發(fā)內部寄存器產(chǎn)生狀態(tài)轉換。

 

除了對芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外，電源噪聲還會(huì )對其他部分產(chǎn)生影響。比如電源噪聲會(huì )影響晶振、PLL、DLL的抖動(dòng)特性，AD轉換電路的轉換精度等。

 

電源噪聲來(lái)源

 

絕大多數芯片都會(huì )給出一個(gè)正常工作的電壓范圍，這個(gè)值通常是±5%。例如：對于3.3V電壓，為滿(mǎn)足芯片正常工作，供電電壓在3.13V到3.47V之間，或3.3V±165mV。對于1.2V電壓，為滿(mǎn)足芯片正常工作，供電電壓在1.14V到1.26V之間，或1.2V±60mV。這些限制可以在芯片datasheet中查到。這些限制要考慮兩個(gè)部分，第一是穩壓芯片的直流輸出誤差，第二是電源噪聲的峰值幅度。

 

電源系統的噪聲來(lái)源有三個(gè)方面：

 

第一，穩壓電源芯片本身的輸出并不是恒定的，會(huì )有一定的波紋。這是由穩壓芯片自身決定的，一旦選好了穩壓電源芯片，對這部分噪聲我們只能接受，無(wú)法控制。

 

第二，穩壓電源無(wú)法實(shí)時(shí)響應負載對于電流需求的快速變化。穩壓電源芯片通過(guò)感知其輸出電壓的變化，調整其輸出電流，從而把輸出電壓調整回額定輸出值。多數常用的穩壓源調整電壓的時(shí)間在毫秒到微秒量級。因此，對于負載電流變化頻率在直流到幾百KHz之間時(shí)，穩壓源可以很好的做出調整，保持輸出電壓的穩定。當負載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí)，穩壓源的電壓輸出會(huì )出現跌落，從而產(chǎn)生電源噪聲?，F在，微處理器的內核及外設的時(shí)鐘頻率已經(jīng)超過(guò)了600兆赫茲，內部晶體管電平轉換時(shí)間下降到800皮秒以下。這要求電源分配系統必須在直流到1GHz范圍內都能快速響應負載電流的變化，但現有穩壓電源芯片不可能滿(mǎn)足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補償穩壓源這一不足，這涉及到后面要講的電源去耦。

 

第三，負載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產(chǎn)生的壓降。PCB板上任何電氣路徑不可避免的會(huì )存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線(xiàn)。對于多層板，通常提供一個(gè)完整的電源平面和地平面，穩壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流經(jīng)電源平面，到達負載電源引腳。地路徑和電源路徑類(lèi)似，只不過(guò)電流路徑變成了地平面。完整平面的阻抗很低，但確實(shí)存在。如果不使用平面而使用引線(xiàn)，那么路徑上的阻抗會(huì )更高。另外，引腳及焊盤(pán)本身也會(huì )有寄生電感存在，瞬態(tài)電流流經(jīng)此路徑必然產(chǎn)生壓降，因此負載芯片電源引腳處的電壓會(huì )隨著(zhù)瞬態(tài)電流的變化而波動(dòng)，這就是阻抗產(chǎn)生的電源噪聲。在電源路徑表現為負載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷，在地路徑表現為負載芯片地引腳處的電位和參考地電位不同（注意，這和地彈不同，地彈是指芯片內部參考地電位相對于板級參考地電位的跳變）。

 

如何解決電源噪聲-電容去耦

 

采用電容去耦是解決電源噪聲問(wèn)題的主要方法。這種方法對提高瞬態(tài)電流的響應速度，降低電源分配系統的阻抗都非常有效。

 

對于電容去耦，很多資料中都有涉及，但是闡述的角度不同。有些是從局部電荷存儲（即儲能）的角度來(lái)說(shuō)明，有些是從電源分配系統的阻抗的角度來(lái)說(shuō)明，還有些資料的說(shuō)明更為混亂，一會(huì )提儲能，一會(huì )提阻抗，因此很多人在看資料的時(shí)候感到有些迷惑。其實(shí)，這兩種提法，本質(zhì)上是相同的，只不過(guò)看待問(wèn)題的視角不同而已。為了讓大家有個(gè)清楚的認識，介紹一下這兩種解釋。

 

（1）從儲能角度看電容去耦

 

在制作電路板時(shí)，通常會(huì )在負載芯片周?chē)胖煤芏嚯娙?，這些電容就起到電源去耦作用。

 

 

負載電流不變時(shí)，其電流由穩壓電源部分提供，即圖中的I0，方向如圖所示。此時(shí)電容兩端電壓與負載兩端電壓一致，電流Ic為0，電容兩端存儲相當數量的電荷，其電荷數量和電容量有關(guān)。當負載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí)，由于負載芯片內部晶體管電平轉換速度極快，必須在極短的時(shí)間內為負載芯片提供足夠的電流。但是穩壓電源無(wú)法很快響應負載電流的變化，因此，電流I0不會(huì )馬上滿(mǎn)足負載瞬態(tài)電流要求，因此負載芯片電壓會(huì )降低。但是由于電容電壓與負載電壓相同，因此電容兩端存在電壓變化。對于電容來(lái)說(shuō)電壓變化必然產(chǎn)生電流，此時(shí)電容對負載放電，電流Ic不再為0，為負載芯片提供電流。根據電容等式：

 

 

要電容量C足夠大，只需很小的電壓變化，電容就可以提供足夠大的電流，滿(mǎn)足負載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負載芯片電壓的變化在容許的范圍內。這里，相當于電容預先存儲了一部分電能，在負載需要的時(shí)候釋放出來(lái)，即電容是儲能元件。儲能電容的存在使負載消耗的能量得到快速補充，因此保證了負載兩端電壓不至于有太大變化，此時(shí)電容擔負的是局部電源的角色。

 

從儲能的角度來(lái)理解電源去耦，非常直觀(guān)易懂，但是對電路設計幫助不大。從阻抗的角度理解電容去耦，能讓我們設計電路時(shí)有章可循。實(shí)際上，在決定電源分配系統的去耦電容量的時(shí)候，用的就是阻抗的概念。

 

（2）從阻抗角度看電容去耦

 

 

將圖中的負載芯片拿掉，從AB兩點(diǎn)向左看過(guò)去，穩壓電源以及電容去耦系統一起，可以看成一個(gè)復合的電源系統。這個(gè)電源系統的特點(diǎn)是：不論AB兩點(diǎn)間負載瞬態(tài)電流如何變化，都能保證AB兩點(diǎn)間的電壓保持穩定，即AB兩點(diǎn)間電壓變化很小。

 

我們可以用一個(gè)等效電源模型表示上面這個(gè)復合的電源系統，如下圖所示。

 

 

對于這個(gè)電路可寫(xiě)出如下等式；

 

 

總結

 

我們的最終設計目標是，不論AB兩點(diǎn)間負載瞬態(tài)電流如何變化，都要保持AB兩點(diǎn)間電壓變化范圍很小，根據公式，這個(gè)要求等效于電源系統的阻抗Z要足夠低。在圖中，我們是通過(guò)去耦電容來(lái)達到這一要求的，因此從等效的角度出發(fā)，可以說(shuō)去耦電容降低了電源系統的阻抗。另一方面，從電路原理的角度來(lái)說(shuō)，可得到同樣結論。電容對于交流信號呈現低阻抗特性，因此加入電容，實(shí)際上也確實(shí)降低了電源系統的交流阻抗。

 

從阻抗的角度理解電容去耦，可以給我們設計電源分配系統帶來(lái)極大的方便。實(shí)際上，電源分配系統設計的最根本的原則就是使阻抗最小。最有效的設計方法就是在這個(gè)原則指導下產(chǎn)生的。

 

 

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