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

【摘要】：电源完整性(Power Integrity,简称PI)是当今高速电路设计中的关键性问题, 是信号完整性(Signal Integrity)问题研究的延伸和深入,其研究的本质为高速系 统的电源分配系统对信号完整性的影响。研究对象包含了组成电源分配系统的电 源模块,电源平面、接地平面、旁路电容和高速芯片的封装及内部电源分配等问 题;电源分配系统产生的同步切换噪声(Synchronous Switching Noise,简称SSN), 地弹(Ground bounce),边缘效应和谐振效应等问题。性能不高的电源模块,系 统中多级芯片产生同步切换,电源、接地平面的布局不合理都会造成电源完整性 问题。良好的电源完整性可以保证电源(含接地)平面在系统工作频率范围内电 压波动小于一定的目标值;而电源完整性欠缺的电源系统可能造成其他元器件的 误动作,致使输出不正确的数据,甚至使系统完全不能工作。 本文从高速通信系统的PCB板级电源完整性分析入手: 1) 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。 2) 分析了旁路电容在解决电源完整性问题中的重要作用。 3) 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(Simulation program with integrated circuit emphasis model)模型。 4) 利用Cadence公司的SPECCTRAQuestTM Power Integrity(简称SQ PI)设计 仿真工具,将所建立的模型有效的应用到媒体网关(media gateway)产品A7XXX 的媒体转换MCM(Media Conversion Module)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。 5) 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。 高速通信系统设计是一个十分复杂的过程,如何在设计中有效的预防包括同 步切换噪声,地弹噪声在内的电源完整性问题已经成为系统完整性设计的重点。