电源完整性设计

Posted 2020-10-22 alifpga

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由于芯片工艺不断改进，从0.35um、0.18um、0.13um到目前的40nm甚至28nm，芯片的内核电压也在不断降低，从3.3V、1.8V、1.5V到40nm器件的0.9V，芯片对电源的波动越来越敏感。

与SI相比，电源完整性PI是一个比较新的概念，实际上PI也属于SI研究的范畴，它和SI之间的关系非常密切。

保持电源的完整性，就是保持电源的稳定供电。在实际系统中，要做到这一点并不容易，因为系统中总是存在着不同频率的噪声。

首先需要把电源分配系统与外界很好的隔离起来，电源系统与外界主要的连接途径是电压调整模块，通常总是需要在电压调整模块的附近使用T型或者PI型滤波网络。以放置低频噪声串入。同时大电容也提供了一个电荷的蓄水池，及时提供电压调整模块所不能供给的电流。

另外，系统内部的一些元件会产生高频的电源噪声，例如在数字逻辑门在翻转的时候，瞬间会从电源平面汲取一定的电流。电流值虽然不是很大，但是速度很快，如果是电源分配系统的阻抗，电源平面不能及时提供这些电流，那么就会在这里产生翻转噪声。如果PCB去耦处理不当，这个电源噪声就会波及整个电源地平面。

与此相类似，当信号线穿过一个过孔，切换信号的参考平面时，例如由地平面切换到电源平面，相应的会在过孔附近的电源平面和地平面之间形成一个回路电流，这个回路电流同样会成为系统噪声，波及整个电源分布系统。

同步开关噪声

同步开关噪声(SSN)是指由于多个输出同时发生翻转而引起的感应噪声。

要搞清楚SSN的原理，必须从不同的层面来分析。下图所示，电源分配系统的感抗表示，同时也把硅片到PCB电源之间的连线感抗也表示出来。

SSN模型

从芯片级来考虑，如果多个IO同时由“1”到“0”翻转，会在地脚上产生较大的变化电流，上图实线箭头部分，由于芯片电感的存在，而电感的特性是产生一个反向电动势来抵抗电流的变化，因此在硅片内部的地平面和单板地之间将形成一定的电压波动，这种现象又称为地弹(ground-bounce)。

要知道PCB的地和硅片的地之间的电压差关系，首先要分析输出信号的电压变化。当输出信号由“1”翻转到“0”时，在输出驱动器的下拉MOS管和芯片电感上将产生一个相应的电流变化(I)，这个电流满足I=-C*(dV/dt)，这里的负号表示电流的方向(灌电流)。如下图I的变化情况，首先由0变为最大值，然后再回到0。

SSN产生原理

这样的电流变化会在“芯片电感”两端产生一个电压的波动(V_Ldie) ，根据电感的特性，这个电压值可以表示为V_Ldie=Ldie*(dI/dt)，如上图。

因此，在硅片地和PCB地之间就有一个V_Ldie的电压差，假设PCB地保持不变，硅片地上就有一个相应的噪声信号，这个噪声信号会对输出0的静态信号造成影响，也有可能使得输入信号误采样，如下图，SSN对输出低信号的影响。

SSN对输出低信号的影响

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作者：杭州卿萃科技ALIFPGA

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