如何解決電源噪聲問題?
發(fā)布時(shí)間:2020-09-01 來源:北京迪浩 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】電源完整性設(shè)計(jì)的水平直接影響著系統(tǒng)的性能,如整機(jī)可靠性、信噪比與誤碼率及EMI/EMC等重要指標(biāo)。板級(jí)電源通道阻抗過高和同步開關(guān)噪聲SSN過大會(huì)帶來嚴(yán)重的電源完整性問題,這些會(huì)給器件及系統(tǒng)工作穩(wěn)定性帶來致命的影響。PI設(shè)計(jì)就是通過合理的平面電容、分立電容、平面分割應(yīng)用確保板級(jí)電源通道阻抗?jié)M足要求,確保板級(jí)電源質(zhì)量符合器件及產(chǎn)品要求,確保信號(hào)質(zhì)量及器件、產(chǎn)品穩(wěn)定工作。
電源噪聲問題
隨著超大規(guī)模集成電路工藝的發(fā)展,芯片工作電壓越來越低,而工作速度越來越快,功耗越來越大,單板的密度也越來越高,因此對(duì)電源供應(yīng)系統(tǒng)在整個(gè)工作頻帶內(nèi)的穩(wěn)定性提出了更高的要求。電源完整性設(shè)計(jì)的水平直接影響著系統(tǒng)的性能,如整機(jī)可靠性、信噪比與誤碼率及EMI/EMC等重要指標(biāo)。板級(jí)電源通道阻抗過高和同步開關(guān)噪聲SSN過大會(huì)帶來嚴(yán)重的電源完整性問題,這些會(huì)給器件及系統(tǒng)工作穩(wěn)定性帶來致命的影響。PI設(shè)計(jì)就是通過合理的平面電容、分立電容、平面分割應(yīng)用確保板級(jí)電源通道阻抗?jié)M足要求,確保板級(jí)電源質(zhì)量符合器件及產(chǎn)品要求,確保信號(hào)質(zhì)量及器件、產(chǎn)品穩(wěn)定工作。
芯片內(nèi)部有成千上萬個(gè)晶體管,這些晶體管組成內(nèi)部的門電路、組合邏輯、寄存器、計(jì)數(shù)器、延遲線、狀態(tài)機(jī)、以及其他邏輯功能。隨著芯片的集成度越來越高,內(nèi)部晶體管數(shù)量越來越大。芯片的外部引腳數(shù)量有限,為每一個(gè)晶體管提供單獨(dú)的供電引腳是不現(xiàn)實(shí)的。芯片的外部電源引腳提供給內(nèi)部晶體管一個(gè)公共的供電節(jié)點(diǎn),因此內(nèi)部晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必然引起電源噪聲在芯片內(nèi)部的傳遞。
對(duì)內(nèi)部各個(gè)晶體管的操作通常由內(nèi)核時(shí)鐘或片內(nèi)外設(shè)時(shí)鐘同步,但是由于內(nèi)部延時(shí)的差別,各個(gè)晶體管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能是嚴(yán)格同步的,當(dāng)某些晶體管已經(jīng)完成了狀態(tài)轉(zhuǎn)換,另一些晶體管可能仍處于轉(zhuǎn)換過程中。芯片內(nèi)部處于高電平的門電路會(huì)把電源噪聲傳遞到其他門電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門電路此時(shí)處于電平轉(zhuǎn)換的不定態(tài)區(qū)域,那么電源噪聲可能會(huì)被放大,并在門電路的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖干擾,進(jìn)而引起電路的邏輯錯(cuò)誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過內(nèi)部門電路的傳播,還可能會(huì)觸發(fā)內(nèi)部寄存器產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。
除了對(duì)芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外,電源噪聲還會(huì)對(duì)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(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度等。
電源噪聲來源
絕大多數(shù)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(duì)于3.3V電壓,為滿足芯片正常工作,供電電壓在3.13V到3.47V之間,或3.3V±165mV。對(duì)于1.2V電壓,為滿足芯片正常工作,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(wěn)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(tǒng)的噪聲來源有三個(gè)方面:
第一,穩(wěn)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(wěn)壓芯片自身決定的,一旦選好了穩(wěn)壓電源芯片,對(duì)這部分噪聲我們只能接受,無法控制。
第二,穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化,調(diào)整其輸出電流,從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時(shí)間在毫秒到微秒量級(jí)。因此,對(duì)于負(fù)載電流變化頻率在直流到幾百KHz之間時(shí),穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整,保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時(shí),穩(wěn)壓源的電壓輸出會(huì)出現(xiàn)跌落,從而產(chǎn)生電源噪聲?,F(xiàn)在,微處理器的內(nèi)核及外設(shè)的時(shí)鐘頻率已經(jīng)超過了600兆赫茲,內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換時(shí)間下降到800皮秒以下。這要求電源分配系統(tǒng)必須在直流到1GHz范圍內(nèi)都能快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化,但現(xiàn)有穩(wěn)壓電源芯片不可能滿足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補(bǔ)償穩(wěn)壓源這一不足,這涉及到后面要講的電源去耦。
第三,負(fù)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。對(duì)于多層板,通常提供一個(gè)完整的電源平面和地平面,穩(wěn)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(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類似,只不過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,那么路徑上的阻抗會(huì)更高。另外,引腳及焊盤本身也會(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(fù)載芯片電源引腳處的電壓會(huì)隨著瞬態(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(xiàn)為負(fù)載芯片電源引腳處的電壓軌道塌陷,在地路徑表現(xiàn)為負(fù)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(nèi)部參考地電位相對(duì)于板級(jí)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題的主要方法。這種方法對(duì)提高瞬態(tài)電流的響應(yīng)速度,降低電源分配系統(tǒng)的阻抗都非常有效。
對(duì)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(chǔ)(即儲(chǔ)能)的角度來說明,有些是從電源分配系統(tǒng)的阻抗的角度來說明,還有些資料的說明更為混亂,一會(huì)提儲(chǔ)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,只不過看待問題的視角不同而已。為了讓大家有個(gè)清楚的認(rèn)識(shí),介紹一下這兩種解釋。
(1)從儲(chǔ)能角度看電容去耦
在制作電路板時(shí),通常會(huì)在負(fù)載芯片周圍放置很多電容,這些電容就起到電源去耦作用。
負(fù)載電流不變時(shí),其電流由穩(wěn)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(fù)載兩端電壓一致,電流Ic為0,電容兩端存儲(chǔ)相當(dāng)數(shù)量的電荷,其電荷數(shù)量和電容量有關(guān)。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流發(fā)生變化時(shí),由于負(fù)載芯片內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換速度極快,必須在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載芯片提供足夠的電流。但是穩(wěn)壓電源無法很快響應(yīng)負(fù)載電流的變化,因此,電流I0不會(huì)馬上滿足負(fù)載瞬態(tài)電流要求,因此負(fù)載芯片電壓會(huì)降低。但是由于電容電壓與負(fù)載電壓相同,因此電容兩端存在電壓變化。對(duì)于電容來說電壓變化必然產(chǎn)生電流,此時(shí)電容對(duì)負(fù)載放電,電流Ic不再為0,為負(fù)載芯片提供電流。根據(jù)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,滿足負(fù)載瞬態(tài)電流的要求。這樣就保證了負(fù)載芯片電壓的變化在容許的范圍內(nèi)。這里,相當(dāng)于電容預(yù)先存儲(chǔ)了一部分電能,在負(fù)載需要的時(shí)候釋放出來,即電容是儲(chǔ)能元件。儲(chǔ)能電容的存在使負(fù)載消耗的能量得到快速補(bǔ)充,因此保證了負(fù)載兩端電壓不至于有太大變化,此時(shí)電容擔(dān)負(fù)的是局部電源的角色。
從儲(chǔ)能的角度來理解電源去耦,非常直觀易懂,但是對(duì)電路設(shè)計(jì)幫助不大。從阻抗的角度理解電容去耦,能讓我們?cè)O(shè)計(jì)電路時(shí)有章可循。實(shí)際上,在決定電源分配系統(tǒng)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(fù)載芯片拿掉,從AB兩點(diǎn)向左看過去,穩(wěn)壓電源以及電容去耦系統(tǒng)一起,可以看成一個(gè)復(fù)合的電源系統(tǒng)。這個(gè)電源系統(tǒng)的特點(diǎn)是:不論AB兩點(diǎn)間負(fù)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(wěn)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(fù)合的電源系統(tǒng),如下圖所示。
對(duì)于這個(gè)電路可寫出如下等式;
總結(jié)
我們的最終設(shè)計(jì)目標(biāo)是,不論AB兩點(diǎn)間負(fù)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(jù)公式,這個(gè)要求等效于電源系統(tǒng)的阻抗Z要足夠低。在圖中,我們是通過去耦電容來達(dá)到這一要求的,因此從等效的角度出發(fā),可以說去耦電容降低了電源系統(tǒng)的阻抗。另一方面,從電路原理的角度來說,可得到同樣結(jié)論。電容對(duì)于交流信號(hào)呈現(xiàn)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(tǒng)的交流阻抗。
從阻抗的角度理解電容去耦,可以給我們?cè)O(shè)計(jì)電源分配系統(tǒng)帶來極大的方便。實(shí)際上,電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最根本的原則就是使阻抗最小。最有效的設(shè)計(jì)方法就是在這個(gè)原則指導(dǎo)下產(chǎn)生的。
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