电源完整性(Power integrity)简称PI,是确认电源来源及目的端的电压电流是否符合需求。电源完整性在现今的电子产品中相当重要。有几个有关电源完整性的层面:芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。在电路板层面的电源完整性要达到以下三个需求[1]:615

  1. 使芯片引脚的电压涟波比规格要小一些(例如电压和1V之间的误差小于+/-50 mV)
  2. 控制接地反弹(也称为同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO)
  3. 降低电磁干扰(EMI)并且维持电磁兼容性(EMC):电源分布网络(PDN)是电路板上最大型的导体,因此也是最容易发射及接收噪声的天线。
  4. 在大电流的负载维持适当的直流电压。现代的处理器或是现场可编程逻辑门阵列(FPGA)可以在小于1 V的电源轨提供1–100 A的电流,其电压裕度在数十mV[2][3]。电源分布网络上允许的直流电压降很小。

电源分布网络

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电源分布网络

电源分布网络(power distribution network)是指从电源经过印刷电路板(PCB)以及集成电路封装到裸晶的电流路径[4],其作用是在小电压降的要求下,传送电力到裸晶,而且因为裸晶动态电流产生的涟波电压也要很小。若从VRM(电压调节模组)到集成电路的平面或是电源路径上的电阻太大,就会有直流电压降。这可以用提升电压调节模组的电压来改善,或是增加集成电路端的电源回授信号。

动态电流一般是因为晶体管开关所造成,一般是因为时脉信号所引发的。动态电流可能会比集成电路的静态电流(内部漏电流)要大很多。电流的快速变化可能会拉低电压轨上的电压,或是使其产生电压突波。此电流变化要比电压调节模组的反应要快很多。切换电流需要透过去耦电容来改善。

噪声或是电压涟波会因为其频率不同,有不同的处理方式。最高频的需在裸晶上处理,透过裸晶上的杂散耦合以及金属板之间的电容耦合来去耦。频率在100 MHz以上的讯号需要在封装上处理,利用封装上的电容处理。频率在100 MHz以下的噪声会用电路板的平面电容以及去耦电容来处理。用在不同频段的电容器其种类、容值以及尺寸都有不同。因此需要使用不同尺寸的多个电容,让电源分布网络在宽频率范围下都有低阻抗[5]

电容器的尺寸会影响其杂散电感。杂散电感会在特定频率产生阻抗突波,一般来说尺寸较小的电容器会比较好。电容的摆放位置重要性会依其频率范围而不同。容值越小的电容需要最接近裸晶,以减少交流电流回路面积。若是microfarad等级的电容器,其位置就比较不受限制[6]

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参考资料

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  1. ^ Bogatin, Eric. Signal and Power Integrity - Simplified. Pearson Education. 13 July 2009. ISBN 978-0-13-703503-8. 
  2. ^ Simulating FPGA Power Integrity Using S-Parameter Models (PDF). Xilinx. [2018-03-18]. (原始内容存档 (PDF)于2022-03-02). 
  3. ^ Virtex-7 T and XT FPGAs Data Sheet: DC and AC Switching Characteristics (PDF). Xilinx. [2018-03-18]. (原始内容存档 (PDF)于2022-03-15). 
  4. ^ Fundamentals of Signal and Power Integrity (PDF). Christian Schuster. [2018-03-18]. (原始内容存档 (PDF)于2022-10-02). 
  5. ^ Effective Power/Ground Plane Decoupling for PCB (PDF). IBM. [2018-03-18]. (原始内容存档 (PDF)于2024-03-27). 
  6. ^ Introduction to Power Integrity (PDF). PICOTEST, Keysight. [2018-03-18]. (原始内容存档 (PDF)于2024-03-27).