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电源完整性设计

电源完整性是指电源波形的质量,研究的是电源分配网络(PDN)。并从系统供电网络综合考虑,消除 / 降低噪声对电源的影响。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在运行的范围内,为芯片提供干净稳定的电压,并使它能够维持在一个很小的容差范围内(通常为 5% 以内),实时响应负载对电流的快速变化,并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。

电源噪声的主要来源:

  • 供电模块(VRM,包括 LDO/DC-DC)的输出噪声
  • 走线的直流电阻与寄生电感
  • 同步开关噪声(SSN)
  • 电源与地平面谐振噪声
  • 临近电源网络耦合噪声
  • 其他部件耦合噪声

大量的芯片引脚在进行逻辑状态切换时,会有一个大的瞬态电流流过回路,造成地平面的波动,会造成芯片的地与系统地不一致,称为地弹;造成芯片和系统的电源有差压,称为电源弹。在进行 PCB 叠层设计时,尽可能增大电源平面叠层之间的垂直距离,减少电源平面和地平面之间的垂直间距。

电源完整性设计策略

  • 关注过孔、走线和电源平面的通流能力;当在一个平面上布置多个电源时,需要进行电源平面的分割,分割方式要简洁合理,分割区域的大小要满足载流能力的要求;
  • 尽可能使电源平面与地平面成对相邻出现,且尽可能接近;
  • 关注去耦电容的设计,电容的去耦作用是有一定的距离要求的,即去耦半径。电容焊盘的扇出方式推荐采用多过孔的方式。
  • 关注同步开关噪声(SSN,地弹和电源弹)的影响,可增加去耦电容;在满足系统整体性能需求前提下,尽可能使用平缓的驱动信号(减缓驱动器的上升沿和下降沿时间)

电源完整性的测试项目

电压值(精度)

  • 测试仪器:万用表
  • 测试方法:分别在测试空载 / 满载下测试
  • 测试点:电源芯片输出管脚、用电芯片的电源管脚
  • 合格标准:一般在标称电压值 ±5% 范围内(根据芯片的电压要求来确定)

电源噪声 / 纹波

  • 定义
    • 纹波:出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分,用有效值表示,一般在输出电压的 0.5% 以下
    • 噪声:出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分,也用峰 - 峰(peak to peak)值表示,一般在输出电压的 1% 以下
    • 纹波噪声:两者合成,用峰 - 峰(peak to peak)值表示,要求一般在输出电压的 2% 以下
  • 测试仪器:示波器
  • 测试方法
    • 分别在测试空载 / 满载下测试
    • 纹波:采用地线环靠接测量法(靠接测量),示波器设置带宽(bandwidth)为 20MHz,直流偏置电压(offset)为上面电压精度测量值。
    • 纹波噪声:把示波器带宽设置成全带宽(Full)
  • 测试点:输出电容两端
  • 合格标准:
    • 一般要求纹波 < 输出电压的 1%(在 20MHz 带宽下测试,结果可视为单纯的纹波)
    • 一般要求纹波噪声 < 输出电压的 2%(在全带宽下测试,结果可视为纹波 + 噪声)
  • 注意事项
    • 测试时注意就近原则,保持地环线最短
    • 测试使用无源探头
    • 测试纹波时记录其频率,以便分析

电压上下电波形

  • 测试仪器:示波器
  • 测试方法:示波器设置为上升 / 下降沿触发,开关电源观察上下电波形,能完整显示出来以看出问题
  • 测试点:电源芯片的输出管脚、系统上的电源线
  • 合格标准
    • 电源输出端电压上下电过冲一般要求不超过被测电压的 10%。在芯片前端测试时,可参考电平通用标准
    • 电源上电时电压不得有很大的跌落,下电时不能有很大的反冲和回勾(跌落和反冲不能跨越芯片启动工作电压),如出现台阶现象需要评估影响。
    • 如果出现负电压,就需要结合实际情况讨论
    • 注意芯片的上下电时序要求
  • 注意事项:需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况

缓启动电路参数

  • 测试仪器:示波器
  • 测试方法:使用多通道测试,上电观察时间差
  • 测试点:一路在缓启动之前的电路,一路在缓启动之后
  • 合格标准
    • 延迟时间(TdelayT_{delay}):一般要求其范围 20 ~ 200ms
    • 上升时间(TriseT_{rise},输出电压从 10% 上升到 90% 的时间):要求其范围越小越好,但同时要求冲击电流满足合格标准
    • 没有多次振荡现象
  • 注意事项:需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况

电源电流和冲击电流

  • 测试仪器:示波器
  • 测试方法:
    • 电源电流:使用电流探头,观察电源上电电流波形和上电后电流的平稳波形
    • 冲击电流:同上。上电冲击电流最好在冷机时测试(冲击电流最大);下电冲击电流最好在单板满载时进行
  • 测试点:将电流探头卡在被测试电流通路上
  • 合格标准
    • 电源电流稳定值不能超过 90% 最大额定输出电流
    • 冲击电流值不能超过额定输出电流的 5 倍(3 倍以上应引起注意)
    • 任何情况下的电流一定要大于电源的最小负载,且须满足最大容性负载要求
  • 注意事项
    • 需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况
    • 测试冲击电流,需要取下感性元件如电感,因为感性器件本身具有抑制冲击电流的作用。

电源告警信号

  • 测试方法:使系统产生告警条件,测试告警信号的电平大小
  • 测试点:告警信号的接收末端
  • 合格标准:参考电源芯片的规格书

冗余电源的均流参数

  • 测试方法:用测试电源输出电流的方法,测试冗余电源的每路电流的输出值,比较每路输出电流的大小
  • 测试点:冗余电源的每路电流输出链路
  • 合格标准:系统电源、其冗余电源(均流)的各路电流输出值相差 10% 以下

参考与致谢

文章作者:Power Lin
原文地址:https://wiki-power.com
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