高速PCB的电源完整性分析

高速ＰＣＢ的电源完整性分析

申伟，唐万明，王杨

（重庆大学计算机学院重庆４０００３０）

摘要：随着微电子技术的不断发展．高速信号的上升沿越来越快，电源完整性已经成为高速互逢系统设计中不可忽略的问题。借助Ｃａｄｅｎｃｅ公司ＳＱＰＩ仿真软件，对高速ＰＣＢ进行电源完整性分析，可以指导并优化电源分配系统（ＰＤＳ）设计，从而在设计阶段解决电源完整性问题。根据电源完整性问题的形成机理、影响因素，阐述了高速ＰＣＢ电源完整性解决办法。对电源分配系统设计具有指导作用。

关键词：电源完整性；电源分配系统；同步开关噪声；退耦电容

中图分类号：Ｔ‘Ｎ８６文献标识码：Ａ文章编号：１００４—３７３Ｘ（２００９）２４—２１３—０６

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随着时钟和数据信号频率的增高和高速互连设计密度的增大。良好的电源分配成为了ＰＣＢ设计的一个主要挑战。当大量开关同时快速切换状态时。会在电源分配系统上产生纹波噪声。这个噪声会对周围的高速设备造成干扰，有可能引发芯片的误动作，如果没有足够稳定的电源支持，高速元件的行为将是不可预测的。于是电源完整性的研究分析也应运而生，电源完整性分析主要讨论和解决电源供给的稳定性问题。

１电压波动的危害

对于理想的电源分配系统（ＰＤＳ）（见图１），传输路径阻抗为零，在电源平面上任何一点的电位都是保持恒定并等于系统供给电压，而实际的电源分配系统由于各种噪声干扰的存在，电源分配系统上的电位会有波动，有时甚至很严重。影响系统的正常工作。

电源不稳定的主要表现形式就是同步开关噪声（ＳＳＮ），是指高速开关器件状态切换时产生的瞬态交变电流在经过回流路径上存在的电感时，形成的交流压降，所以也称为△ｉ噪声。由于ＳＳＮ造成芯片地和系统

收稿日期：２００９—０５一１６地不一致的现象称为地反弹（ＧｒｏｕｎｄＢｏｕｎｃｅ）；由于ＳＳＮ造成芯片电源和系统电源不一致的现象称为电源反弹（ＰｏｗｅｒＢｏｕｎｃｅ），所以ＳＳＮ包括地反弹噪声和电源反弹噪声。

‘ａ）理想电源分配系统（ｂ）实际电源分配系统

图ｌ电源分配系统

在图２（ａ）中，驱动端发送的低电平受到地弹噪声的影响，在低电平上会出现相位与地弹噪声相同的噪声波形；在图２（ｂ）中，驱动端发送的开关信号受到地弹噪声的影响。导致开关信号下降沿变缓。

低电平信号开芙信号下降沿变缓

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图２地弹噪声对驱动端信号的影响

２１３

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在图３（ａ）中。由于参考地上的地弹噪声，使得接收到低电平信号上出现相位与地弹噪声相反的噪声波形；在图３（ｂ）中，如果电源反弹噪声的相位与地反弹噪声相反，会使高电平信号上噪声波形幅度加倍，严重时造成数据翻转。

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打开。Ａ是带频率补偿的放大器，使用参考电压来监测负载电压。当负载电压太高时，它利用开关和电感来降低电流。电压调节行为是非线性的，因为开关的打开和闭合与时间有关。对于良好的ＰＤＳ设计，非常希望有线性的ＶＲＭ模型。ＳＱＰＩ仿真工具运用四个参数对ＶＲＭ的行为建立ＳＰＩＣＥ模型如图５所示。

其中，Ｒ。。。为ＶＲＭ的输出电阻。Ｌ。为ＶＲＭ的输出电感，Ｒｎａｔ为ＶＲＭ的等效串联电阻，Ｌ。ｌ。。为ＶＲＭ的输入电感，有内部晶体管特性决定，可以根据ＶＲＭ的技术参数对其进行估算，如果ＶＲＭ可以在时间ｔ内使

电流上升到ｉ，则：

Ｊ

Ｊ‘

Ｌｓｌｅ。一Ｖ半＝（砜。ｐｐｌ，?ＶＲＴ）等

２

电源分配系统的设计要求

４

电源地平面

电源分配系统设计的关键是使ＰＤＳ的阻抗在一定

频率范围内控制在目标阻抗以内，目标阻抗的表达式为：

‰。＝警

式中：Ｖｓ。ｐｐｌ，是工作电压；ＶＲＴ是电压纹波容限；ｆ｜）ｙ—ｉ。是系统的动态电流。ＰＤＳ阻抗保持在目标阻抗以下的频率范围应取到信号的屈膝频率（Ｆｋ一＝０．５／Ｔ，），因为截止频率代表了数字电路中能量最集中的频率范围，超过Ｆ。。。的频率对数字信号的能量传输没有影响。

在ＰＣＢ板上，电源分配系统由电源模块、电源地平面、退耦电容组成。它们分别在不同的频率范围内做出响应。目标阻抗可以通过在目标频率范围内仔细考虑开关电源，退耦电容以及电源一地平面对等因素来实现。３电压调节模块（ＶＲＭ）

电压调节模块是ＰＣＢ供电的源端，转换一个ＤＣ电压到另一个ＤＣ电压。ＶＲＭ使用一个参考电压和反馈回路来监测负载电压从而调节输出电流，其原理如图４所示。

图４

电压调节模块示意图

图４中，Ｖｉ。为输入电压，假设恒定不变。当开关ｓ。闭合时，电感Ｌ，开始储存能量并向负载输送电流。如果Ｌ，上的电流超过负载需求，ｓ。将打开，Ｓ。将闭合，电流继续向负载输送，并不断减小，直到Ｓ、重新闭合，Ｓ：

２１４

在中低频时，电源地平面对可当作一个理想电容来

看待，其ＥＳＲ和ＥＳＬ都很小。在频率达到某一个高频段时，电源地平面对变成了一个谐振腔。等效为ＲＬＣ串并联电路，在谐振频率点附近，平面对的阻抗变得很大，从而引发电源完整性问题。电源地平面的等效模型如图６所示。

图５ＶＲＭＳＰＩＣＥ模型图６电源地平面

的等效模型

对电源地平面的谐振特性可以通过建模仿真来分析。如图７所示。

５ＳＳＮ分析图７电源地平面谐振曲线

５．１

ＳＳＮ的计算

同步开关噪声伴随着器件的同步开关输出（ＳＳＯ）而产生，开关速度越快、电流回路的电感越大，则产生的ＳＳＮ噪声越严重，其基本表达式为：

ｍ

ＶｓｓＮ＝＞：Ｌ咖。（ｄｉ。／ｄｔ。）

ｊ

式中：ｍ是同步切换状态的开关数目；Ｌ．。。是回流路径上的电感；ｉ。是单个开关的输出电流和穿透电流之和；

ｔ。是开关状态切换时间。

万方数据

对于实际的电路系统，同步切换的开关数目难以确定，各种可能的回流路径难以判断，此外，近距离的互连线之间的耦合也可能增加回路电感，从而加剧ＳＳＮ噪声。

５．２输出缓冲器ＳＳＮ的形成

以ＣＭＯＳ芯片为例，其输出缓冲器是由ＰＭＯＳ管和ＮＭＯＳ管组成的开关，基本电路结构如图８所示。

图８输出缓冲器模型结构

图８中，Ｖ。。是管脚供电，Ｌｒ是电源管脚寄生电感，ＬＧ是地管脚寄生电感，Ｃ。…是硅晶元电容，它是不包括封装参数的总的输出电容，Ｌｍ和Ｃｐｋｇ分别是由封装带来的寄生电感和寄生电容。

芯片是靠系统供电的，芯片内部所有的级联驱动器是靠系统提供电流的，所以在芯片内部不存在完整的回流路径。电流总是从系统电源出发，从电源管脚流进芯片，从地管脚流出回到系统地，如图９所示。

图９输出缓冲器电流示意图

图９中，Ｌ。，是系统电源电感，ＬｓＧ是系统地电感，ｆ，是电源管脚电流，如是地管脚电流。其基本工作原理是当输入Ｕ，Ｎ＝０Ｖ时，Ｔｘ截止。Ｔｒ导通，输出Ｕ。。。一Ｖｃｃ；当输入Ｕ加＝Ｖｃｘ：时，丁Ｎ导通，ＴＰ截止，输出Ｕ。一０Ｖ。ＳＳＮ噪声就产生在输入、输出在０Ｖ和Ｋ。之间跳变的过程中，输入／输出电压和两管的漏极电流之间的关系如图１０所示，其中Ｕｔ，和ＵＴＮ是ＴＰ和ＴＮ的开启电压。

由于芯片电源、地管脚和系统电源、地存在一定的

寄生电感，会产生电压降，致使芯片电源、地管脚产生电压波动，其波形如图１１所示。当输出从低变高时，工，不仅要提供流经两个ＭＯＳ管的漏极电流ｂ，还要给硅晶电容和负载电容充电，电流大些，电源管脚上的感应电压Ｖｒ也就大些；同样，当输出从高变低时。ｊＧ中包括流和硅晶电容和负载电容的放电电流，电流大些，地管脚上感应电压Ｖ。；也就大些。

图１０输出缓冲器电压、电流传输特性曲线

图１１输出缓冲器电压曲线

５．３ＳＳＮ的抑制办法

电源反弹噪声不单是电源管脚的感应噪声电压，还包括系统电源的传输电感Ｌ。，上的感应噪声电压，其基本表达式为：

ＶｋＮ－ＰＢ＝（ＬＰ＋ＬｓＰ）Ｉｄｉ

同样，地反弹噪声不单是地管脚的感应噪声电压，还包括系统地的传输电感ＬＳＧ上的感应噪声电压，其基本表达式为：

ＶｓｓＮ－ＧＢ一（ＬＧ＋ＬｓＧ）ｉｄｉ

考虑含有输出缓冲器的系统电流回路，可以得出ＳＳＮ噪声的表达式为：

ＶｓｓＮ＝（ＬＰ＋ＬＧ一２Ｌｍ）面ｄｉ＋

（ＬｓＰ＋ＬｓＧ一２Ｌｓ蹦；）ｄａｉｚ?

式中：ＬＨ；是电源管脚和地管脚的封装互感；ＬｓＰｓＧ是系统电源和地的传输互感。

开关器件状态切换速度、开关数目和电流回路上的电感是影响ＳＳＮ的主要因素，然而今天芯片的发展方向是更密更快，从高速ＰＣＢ设计的角度来说，减小ＳＳＮ的首要措施是减小回路电感：

（１）在芯片的电源和地管脚上加退耦电容，为突变电流提供低电感的回路；

２】５

万方数据

（２）尽量使用单独完整的电源层和地层，并尽可能大面积敷实心铜，还要让电源平面和地平面尽量靠近，以形成较大的平面电容，增强电源平面和地平面的耦合（互感），减小电源分配系统的电感。

（３）电源、地管脚尽量就近扇出，走线尽量宽，若空间允许还可以增加扇出路径来减小外部引线电感。

（４）动态功耗小的芯片会对ＣＭＯＳ管的工艺和输出缓冲器的结构做改进，确保在互补晶体管导通之前关断另一个晶体管就可以实现穿透电流最小，一般在ｐＡ级。

６退耦电容的应用

６．１退耦电容特性

退耦电容还相当于局部电源，为开关器件状态切换提供电流。芯片不必通过电源线从较远的电源中获取电流。退耦电容为高频突变电流提供低电感的回路，有效抑制了ＳＳＮ噪声，减小了电压波动。退耦电容不可能完全消除噪声，但是幅度明显减小，如图１２所示。

图１２退祸电容效果

理想的电容器没有寄生参数，实际的电容器由于封装、材料等方面的影响，含有等效串联电阻ＥＳＲ、等效串联电感ＥＳＬ、绝缘电阻Ｒ，、介质吸收电容ｃｄ。和介质吸收电阻Ｒ舢Ｒ，越大，泄漏的直流越小，性能越好，一般电容的Ｒ，在ＧＱ级以上。介质吸收的等效ＲＣ电路反映了电容介质本身的特性，是一种有滞后性质的内部电荷分布，它使快速放电然后开路的电容器恢复一部分电荷。如图１３所示。

图１３电容的等效模型

对电容的高频特性影响最大的是ＥＳＲ和ＥＳＬ，在电源完整性分析中采用简化的电容模型。它其实是一个ＲＬＣ串联谐振电路，其等效阻抗和谐振频率为：Ｚ＝棚ＦＦ霞刁Ｆ＝可西刁历丁，

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从上式可以看出，电容的阻抗与电路的频率有关，当处于谐振频率＾时，电容阻抗为最低值ＥＳＲ。电容的阻２１６抗特性曲线如图１４所示。

图１４退耦电容阻抗特性曲线

描述曲线的锐度可用品质因数Ｑ来表示：

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（１／ＥＳＲ）、压觋

式中，Ｑ值越大，阻抗随频率变化的越快，阻抗特性曲线越尖，频率的选择性越好，但电路的工作频率不会是一个点频率，而是一个频率段，所以在选择退耦电容时要利用电容寄生参数，根据仿真波形来确定，并不是Ｑ值越大越好。

在运用退耦电容时，所关心的是电容的谐振频率和电路工作频率下电容的阻抗，它们会受到容值Ｃ和ＥＳＬ的调制，如图１５所示。

图１５电容阻抗特性曲线调制效应

综合以上分析，在进行ＰＣＢ设计时。要选择ＥＳＲ较小、谐振频率和电路工作频率相近的退耦电容，在此基础上，容值较大，ＥＳＬ较小为好。在实际电路中，为使退耦电容在一定的工作频率范围内保持较低阻抗，通常采用大小电容并联的方法，且并联电容的容值相差两个数量级即１００倍。并联使得ＥＳＲ和ＥＳＬ减小。容值增大，退耦效果当然更好。Ｎ个容值相同的电容并联，等效电容变为ＮＣ，等效电感变为ＥＳＬ／Ｎ，等效电阻变为ＥＳＲ／Ｎ，谐振频率作为电容的固有性质，保持不便，谐振曲线如图１６所示。

两个不同值得电容并联时，由于各自的自谐振频率不一样，当工作频率处于它们之间时，谐振频率较低的电容表现为感性，谐振频率较高的电容表现为容性，这就形成了一个ＬＣ并联谐振电路，与ＬＣ串联谐振电路不同，ＬＣ并联谐振是电流谐振，当处于谐振状态时，电容和电感进行周期性的能量交换，Ｌ，Ｃ上电流等值反向，从Ｌ，Ｃ两端看进去呈高阻态，Ｌ，Ｃ谐振电路和系统电源和地之间几乎没有电流。从对退耦电容的期望来

看，这是反谐振现象，并联电容反谐振点上的高阻抗是

万方数据

电源完整性设计中应避免的。如图１７所示。

图１６同值电容并联曲线图１７电容异值并联曲线如果ＥＳＲ＝０，那么反谐振点上的阻抗将无穷大，正是由于ＥＳＲ的存在，使得反谐振点上的阻抗不会是无穷大。自谐振点和反谐振点上的阻抗都会受到ＥｓＲ的影响，如图１８所示。

从图１８可以看出，自谐振点的阻抗随着ＥＳＲ的降低而减小，而反谐振点上的阻抗随着ＥＳＲ的降低而增大。所以，退耦电容的ＥＳＲ并不是越小越好，要根据滤波频段和阻抗要求综合考虑。

采用多种不同容值的电容并联退耦藕，减小自谐振频率的相对差值，可以加宽滤波频段。降低反谐振点的影响，如图１９所示。

图１８ＥＳＲ对电容并联谐振

曲线的影响

６．２退耦电容的放置图１９多种异值电容并联谐振曲线

在高速ＰＣＢ上放置退耦电容的基本原则是靠近电源管脚且确保安装电感尽量小，安装在ＰＣＢ上的退耦电容如图２０所示。

安装电感是包括焊盘、过孔、走线、平面对在内的电流回路的电感。在布置退耦电容时尽量减少焊盘与电源地连线的长度，使用宽的连线。如果空间允许的话，可以多打连接过孔，形成并联方式来降低电感；如果工艺允许的话，可以直接在焊盘上打过孔，这是降低电感的最好办法。如图２１所示。

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图２０电容安装示意图图２１电容安转趋势

７电源完整性的仿真分析

目前随着ＰＣＢ密度和速率的提高，电源分配系统设计将变得越来越复杂，经常造成欠设计（引起电源完整性问题）或过设计（增加系统的成本和复杂度）。因此，在设计高速ＰＣＢ电源分配系统时，利用电源完整性仿真软件ＳｐｅｃｃｔｒａＱｕｅｓｔＰＩ，对电路进行仿真，可以很好地避免欠设计与过设计，使系统满足要求。

ＰＣＢ的叠层、电源地平面的外形是根据需求和实际情况在ＰＣＢ设计阶段完成定型的，一般不会随意更改。实际上ＰＩ仿真的重点在滤波电容的选择与分布，对于既定的目标阻抗，ＳＱＰＩ可以根据电源地平面结构和欲使用的电容类型计算出每种退耦电容的数量需求，这时把整个ＰＤＳ当作集总系统来看待，退耦电容数量粗略且小于实际需求。在进行单节仿真时，可以根据仿真波形来调整退耦电容种类的选择。如对于某ＰＤＳ，系统信号最高频率为１００ＭＨｚ，信号上升沿为１ｎｓ，截止频率为５００ＭＨｚ，选择ＣＡＰ—Ｘ７Ｒ一０６０３＿１ＮＦ，ＣＡＰ—Ｘ７Ｒ＿０６０３—１００ＮＦ，ＣＡＰ—Ｘ７Ｒ一０６０３—１０ＵＦ作退耦电容，软件计算所需数量分别为１１，１，ｌ，可得单节点仿真波形如图２２所示。

图２２ＰＩ单节点初步仿真曲线（Ａｌｌｅｇｒｏ软件截图）

从图２２可以看出，退耦电容不满足目标阻抗的要求。为使ＰＤＳ性能满足系统要求，又能使系统的复杂度和成本最低，可以根据仿真波形加入谐振频率在ＰＤＳ阻抗曲线峰值的电容，并逐渐增加不同种类电容的数量，使ＰＤＳ阻抗曲线刚好处于目标阻抗下方。越低当然越好，不过要以成本和系统复杂度为代价。针对如上波形，加入ＣＡＰ—Ｘ７Ｒ一０６０３ｊ０ＮＦ和ＣＡＰ—Ｘ７Ｒ一０６０３—１００ＰＦ，并把不同容值的电容数量调整为：４０个１００ｐＦ，１８个１ｎＦ，６个ｌｏｎＦ，２个１００ｎＦ和２个１０ｐＦ，可得单节点仿真波形如图２３所示。

单节点仿真可以确定退耦电容的容值和数量，但ＰＤＳ上各个区域的阻抗特性不仅取决于电容的容值和数量，还取决于电容的分布。在进行多结点仿真时，需要将电源平面划分成网格，网格之内的电源平面应属于集总系统，退耦电容有效作用范围的直径为ＰＣＢ信号有效长度Ｌ的１／６，欲使退耦电容有效作用范围覆盖整个电源平面，退耦电容的间距应小于有效半径Ｌ／１２。为使仿真

２】７万方数据

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更准确。网格尺寸应小于退耦电容的有效半径。如果系上的位置，如果位于ＰＣＢ边缘，对电路影响不大，不必统信号上升沿最快为１ｎｓ，则其有效长度为：

过分考虑；如果位于功耗较大的芯片处?就必须对此处，

退耦电容的数量和位置进行调整，直到仿真波形符合扛Ｔｒ／Ｄ

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图２４

多结点仿真波形（Ａｌｌｅｇｒｏ软件截图）

图２４中可以看出，０～５００ＭＨｚ之间，波形都在目标阻抗以下，因此电容的选择和放置满足要求。如果有波形超出目标阻抗，要观察波形所代表的网格在ＰＣＢ

８结

语

随着高速、高密度成为ＰＣＢ设计趋势，为保证系统能够稳定工作，需要精心设计电路的ＰＤＳ。在ＰＣＢ设计时抑制ＰＩ问题的引发因素是十分重要的。Ｐ１分析工具采用建模仿真的方法来发现ＰＩ问题，指导ＰＤＳ设计，可以有效缩短设计周期并且节约设计成本。Ｐ１分析工具并不会对ＰＩ问题给出完整细微的解决方案，所以ＰＣＢ设计师在进行ＰＤＳ设计时，可以利用仿真工具进行电源完整性分析，但不能依赖于仿真工具，要充分发挥人的主观能动性，设计性能良好的ＰＤＳ。

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ＷＨａｌｌ，Ｊａｍｅｓ

Ａ

ＭｃＣａｌｌ．高速数

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作者简介

申

伟

重庆大学计算机学院，在读研究生，工程师。从事高速电路仿真设计工作。唐万明硕士，高级工程师、部门主管。从事高速电路仿真设计工作。王

杨

工程师，解放军驻重庆军代表。从事军用装备产品质量管理工作。

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２１８

《坝代电子技布》（半月刊）

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万方数据

高速PCB的电源完整性分析

作者：申伟， 唐万明， 王杨， SHEN Wei， TANG Wanming， WANG Yang

作者单位：重庆大学,计算机学院,重庆,400030

刊名：

现代电子技术

英文刊名：MODERN ELECTRONICS TECHNIQUE

年，卷(期)：2009，32(24)

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参考文献(10条)

1.Eric Bogatin信号完整性分析 2005

2.周润景Cadence PCB设计与制板 2005

3.Howard Jonson高速数字设计 2006

4.王守三PCB的电磁兼容设计、技巧和工艺 2008

5.Clayton R Paul电磁兼容导论 2006

6.汪蕙.王志华电子电路的计算机辅助分析与设计方法 1996

7.王成华.王友仁.胡志忠电子线路基础教程 2003

8.顾海州.马双武PCB电磁兼容技术 2004

9.Dougl Brooks信号完整性问题和印制电路板设计 2005

10.Stephen H Hall.Garrett W Hall.James A McCall高速数字系统设计 2005

相似文献(9条)

1.学位论文徐红波高速通信系统中PCB板级电源分配系统对信号完整性影响的研究——电源完整性2005

本文从高速通信系统的PCB板级电源完整性分析入手：介绍了电源完整性的相关定义，分析了产生电源完整性问题的原因以及电源完整性问题对高速线路造成的影响。并着重分析了电源分配系统的同步切换噪声，地弹等现象；分析了旁路电容在解决电源完整性问题中的重要作用；推导建立了组成电源分配系统的开关电源模块，电源、接地平面，和旁路电容的Spice模型；利用Cadence公司的SPECCTRAQuestTMPowerIntegrity设计仿真工具，将所建立的模型有效的应用到媒体网关产品A7XXX的媒体转换MCM控制模块的电源完整性分析中，对部分电源分配路径进行了优化设计；首次采用动态电子负载测量方法，自行设计了电源完整性模拟测试验证环境。通过对MCM控制模块的开关电源和控制电路板的电源完整性测试，验证分析了各种旁路电容对电源完整性的影响，并总结探讨了高速系统的电源完整性设计流程和方法。

2.期刊论文朱磊.王跃明.刘银年.ZHU Lei.WANG Yueming.LIU Yinnian DDR SDRAM控制电路电源完整性研究-现代电子技术2006,29(24)

高速数字电路对电源分配系统的可靠性和复杂性提出了很高要求.以DDR SDRAM控制电路为例,介绍电源分配系统的基本概念.采用基于系统目标阻抗的算法,用SPECCTRAQuest软件对电路的电源分配系统进行完整性仿真分析与设计.实践表明该方法不但可以设计出满足要求的电源分配系统,还能大幅提高设计效率,减少系统复杂度.

3.学位论文刘坤基于手持设备中开关电源的电源完整性设计2007

随着集成电路设计技术与加工工艺的进步以及低功耗的迫切需求，电路的工作电压越来越低，目前一些用于手持设备的嵌入式系统的处理器核电压甚至已经达到了1V以下。同时，系统的时钟频率也在不断提高，以满足手持设备日益增加的多功能与高性能的要求。

电路工作电压的降低必然导致对电源电压噪声的要求更加严格，与此同时，数字集成电路随着功能的增加和速度的加快，其工作时状态翻转的电流变化(△I)增大，系统的带宽增加。△I是电路板上产生电源电压噪声最主要的原因之一，所以，现代高速电路的电源系统设计正面临着越来越严峻的在更大带宽内保证低电源电压噪声的挑战。

电源完整性 (Power Integrity,PI)设计的目标就是指保证系统稳压电源在经过电源传输系统后在指定器件端口相对该器件对工作电源要求的符合程度，即控制电源电压的噪声在一可接受的范围内。

开关电源由于其高效率的优点，使得目前它在手持设备的主电源电路中获得广泛应用。

本文以手持设备和开关电源为前提，以实现电源完整性为目标，进行电路板级的电源分配系统设计。首先详细介绍了应用于手持设备的各种电源管理技术及理论，并以此为基础进行电压变换电路的设计，设计内容包括开关控制器的分析，选型，无源器件的选型与电路设计，电路的PCB设计以及电源地层设计，然后采用目标阻抗法，利用Cadence公司的PI分析软件，对电源分配系统的各组件，即开关电源模块，电源/地层和旁路电容进行建模，通过仿真，分析最后完成设计。

采用目标阻抗法的电源完整性仿真结果显示在整个系统的 500MHz 的工作带宽内，1.35V 的VCC C电源系统阻抗小于所要求的目标阻抗225毫欧

，3.3V的 VCC3 电源系统的阻抗小于330毫欧。最后通过设备工作在大负载切换情况下的实测得VCC C和VCC3中最大电源噪声分别为60毫伏和100毫伏左右，小于设备稳定工作所要求的5％*VCC的电源电压噪声容限。

本课题分析并实现的利用目标阻抗法对电源系统进行优化设计，能够与主流的电路板设计工具很好的结合，避免传统的电源系统设计中过份依靠芯片厂商提供的参考设计或仅凭工程师经验进行的不足，实现较佳的成本与性能的综合效益，同时对其他中小功率电子设备的电源系统的设计也具有借鉴意义。

4.学位论文贾琛高速数字电路中无源器件建模和电源完整性分析2006

随着半导体工艺的发展，品体管尺寸越来越小，器件的信号跳变沿越水越快，高速数字电路设计领域中的信号完整性问题以及电源完整性问题变得日趋严重。信号完整性问题能导致或者直接带来信号失真、时序错误、不正确数据以及系统误工作甚至系统崩溃，因此对于高速系统，在没计的过程中必须充分由考信号完整性引起的问题。

文本对高速数字电路设计中的信号完整性作了一定的分析与研究，主要内容包括：分析和研究高速数字电路设计中各种无源器件对信号完整性的影响以及它们的简单建模，因为电路建模仿真是寻找信号完整性问题解决方法的重要途径，在低频时候，可以将以上模型带入到SPICE电路中进行仿真，简化分析步骤：分析产生电源完整性问题的原因以及电源完整性问题对高速线路造成的影响，并着重分析了电源分配系统的谐振、同步开关噪声等现象。本文利用Ansoft公司的设计仿真工具，结合具体电路设计，对部分电源分配系统进行了优化设计：介绍一种高阻抗电磁表面结构，并应用到具体电路设计中来减小同步开关噪声，比传统单纯加去耦电容效果更好。

5.期刊论文杜丽霞.曹岩.DU Li-xia.CAO Yan电源完整性仿真及其在DDR SDRAM电路中的应用研究-微计算机信息

2009,25(13)

结合DDR SDRAM控制电路介绍了如何计算电源分配系统目标阻抗的方法,通过SPECCTRAQuest Power Integrity软件对电路的电源分配系统进行了仿真与分析,达到了验证的目的.测试结果表明,该方法可以设计出能够满足要求的电源分配系统,并可以降低设计复杂度,提高设计效率,缩短设计周期.

6.学位论文陈昌荣嵌入式系统中电源模块的研究与设计2007

嵌入式系统的电源模块是嵌入式板级开发的一个热点问题，电源模块的好坏与电子设备的性能密切相关。因此电源模块的设计对于电子工程师来说日渐重要。随着板级开发日趋小型化，高速化，这也要求电源模块必须向着高转换效率、高稳定性、低压大电流以及完善的监控管理功能发展。一个完整的嵌入式系统电源模块的设计，应该包括电源模块的搭建以及电源完整性(Power Integrity，PI)的评估。

电源模块的设计要求电子工程师能够根据电子设备的需要考虑电源的电压、功耗以及可监控性等多方面因素，并以此来搭建电源模块。而电源完整性则是当今高速电路板设计的一个热点问题，他是对信号完整性的延升，目的是为电路板上工作的器件提供一个干净高效的电源环境。电源完整性主要是基于分析整块电路板上电源/地平面构成的电源分配系统，在电流可能变化的范围内，为电路板提供一个稳定的，电压波动小的电源系统。

本文从如何为嵌入式板级系统设计一个合理的，电源完整性好的电源模块入手：

1．分析嵌入式电源模块的系统结构，包括电源模块的内部拓扑，板级的电源系统构架，电源模块元件的选择以及电源监控管理的搭建。并结合现今市场上常用的电源芯片，监控手段等进行分析。

2．研究分析电路板信号完整性以及电源完整性问题。结合信号传输理论，分析了高速数字电路板信号传输时产生的反射、振荡、串扰等现象以及其解决方法。其次是基于电源分配系统的电源完整性分析。最后结合实测经验，讨论电源完整性实测参数3．设计“UHF(915MHz)RFID阅读器”硬件平台的电源模块，并依托此平台，利用Cadence公司的SPECCTRAQuest PI电源完整性仿真工具，对该硬件平台的电源完整性进行仿真，为该平台电路板的电源模块设计提供了仿真指导。

随着嵌入式板级系统高速化，小型化的发展趋势，对电源模块的设计也日趋严格，电源完整性已经越来越多地被电子工程师所关注。本文从最基本的电源模块内部拓扑入手到电源的板级开发，再到高速电路板设计中的信号完整性、电源完整性的分析与研究，对设计开发嵌入式设备的电源模块有一定的指导意义。

7.学位论文李小平高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性研究2005

本文研究了高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性问题及其解决方法。

首先，介绍了高速PCB设计中存在的信号完整性、电源完整性和电磁兼容问题，并总结了国内外的研究现状。

其次，在阐述传输线理论的基础上，详细分析了高速PCB设计中的信号完整性问题，包括反射、串扰等，讨论了公共时钟和源同步总线结构的系统中所必须满足的时序约束条件；对常用的端接方案的端接效果进行了仿真，并分析了两耦合传输线系统中线间距、平行走线长度、介质层厚度等参数变化对串扰的影响。

再次，研究了同步开关噪声的产生机理；并在此基础上提出了电源完整性设计方法，通过单节点仿真来优化去耦电容的选择，通过多节点仿真来优化选择好的去耦电容的布局，从而使电源分配系统能满足目标阻抗的要求。

然后，研究了高速PCB设计中电磁兼容性问题，详细阐述了电磁辐射的产生机理与设计方法。

最后，结合CadencePSD15.0软件包提出了基于信号完整性、电源完整性和电磁兼容性分析的高速PCB设计方法，并详细介绍了IBIS模型的获取和验证方法。

8.期刊论文庄跃明.朱振辉.Zhuang Yueming.Zhu Zhenhui电磁带隙结构在抑制电源层上噪声的应用-电子测试

2009,""(9)

本文在阐述电磁带隙结构的基础上,从理论上分析其原理,结合印制电路板电源层存在的瓶颈,即目标阻抗随着设计频率的不断上升而变得越来越难控制.电磁带隙结构最早应用在天线结构中,而本文引用到PCB板电源完整性的设计中来达到抑制高频谐振的目的,并且通过SIwave建模仿真验证了其正确性.

9.学位论文韩国兵微波与高速电路宽域参变分析研究2008

现代电子技术高速发展，伴随着特征尺寸的不断减小，集成度及时钟频率的持续提高，微波及高速电路系统的电特性分析越发显得重要，因应于此，相关各领域的研究如火如荼，百花齐放。目前，电磁场全波分析、参数提取、电路建模、快速电路分析及商用软件开发等方面的研究已经较为丰富及成熟；但是由于一些实际的困难，有关几何结构层次的设计综合的研究却进展缓慢，仍然停留在依赖传统的经验方法或依赖EDA软件不断仿真试验的阶段，相关研究甚少。

基于以上背景，本文主要针对微波与高速电路计算机辅助分析与设计，以几何结构层次的快速分析及设计综合为目标，围绕微波与高速电路中的参变分析及多参数模型建立展开研究。全文主要包括以下几方面内容：

1)阐述了尺寸维渐近波形估计(AWE)的基本原理，并在其基础上作了一些修正；提出了更好的和更一般化的简化和求导方案，并且提出了AWE结合分块矩阵思想，更好地发挥了AWE方法的效能，尤其适用于在大块电路固定条件下设计和调整小块电路情况。

2)提出了一种新型自适应分段的方法。该方法以高精度的逼近模型(Padé有理模型及伪谱多项式模型)作为基础，综合采样点校验和模型间校验，克服了传统的插值和逼近方法往往无法准确高效地分析具有高度的非线性和多峰特点一类问题的困难，应用于电源/地平面阻抗特性分析中，很好地满足了准确度和高效率的双重要求。

3)提出了基于洛朗级数的渐近波形估值法。传统的渐近波形估计技术，存在一定缺陷：比如1)有时系数矩阵本身在展开点处奇异，不能求逆；2)泰勒级数展开只在收敛圆内有效，逼近范围有限等。针对这些问题，新方法基于洛朗级数展开，考虑了负幂项的作用，可以选择在收敛圆内或收敛圆外及收敛环域展开，应用上具有很大的灵活性。将该技术应用于电源分配系统的去耦电容选择问题，可以快速选择合适的电容大小，降低系统的端口阻抗

，进而达到优化设计的目的。

4)提出了宽带渐近波形估值法。针对渐近波形估计的误差和收敛半径问题，本文以Padé逼近的误差理论为基础，给出了AWE有效带宽的大致估计。在此基础上，进一步给出了一种新型宽带渐近波形估计技术，作为传统方法的扩展。新方法通过连续的渐近波形估计外推逼近，逐步缩小待逼近范围，最终实现整个需求带宽的逼近。

5)提出了多维渐近波形估值法(MD-AWE)及多维场合下的自适应跳点外推扩展技术。传统的一维渐近波形估计技术不能够满足实际中许多多维问题的分析。为了满足这些多维场合下的需求，作为一维渐近波形估计技术的扩展，提出了多维渐近波形估计方法，并且给出了多维情况下的自适应跳点技术；应用于二维宽域参数提取、三维宽域参数提取、电源完整性分析等方面，都明显地改善了直接逐点分析方法的效率。

基于上述各种分析方法，作者都编写了相应的计算机程序，分析了一些具体实例，并将其结果与其它方法或文献的结果进行了比较。

本文链接：https://www.sodocs.net/doc/499205330.html,/Periodical_xddzjs200924067.aspx

下载时间：2010年6月11日