高速PCB电源完整性研究.pdf

第1期
中国电了科学研究院学报
2006年2月
Journal of CAEIT
Feb.2006
基础理论
高速PCB电源完整性研究
白同云
(清佧人学工程物理系,北京100084
摘要:一块成功的高速印刷电路板(POB),需要做到信号完整性和电源完整性,首先必须降低地
弹.为了痣除地弹骚扰,推荐在电源/地面対上,安放去耦电容。
关键词:高速印刷电路板(POB);信号完整性;电源完整性;地弹;电源/地平·去电容
中图分类号:0441文献标识码:A文章编号:1673-5692(2006)C
Research into High Spee FCM over Integration
BAI Tolr-vun
( Department o! N gl.ering Physics Tsinghua University Beijing 100084)
Abstract A successful high-peed printed circuit board((B ) requires signal in e rity and power ine rity
must reduce the effects of ground bounce. To filter ground bounce noise, recommends placing the decoupling ca-
pacitors to Vcc and ground pair
Key words high-speed printed circuit board(PB signal ine rity power inte rity; round bounce; Vcc and
ground pair, decoupling capacitor
随着电了技术的飞速发展,电了产品正朝着微大的挑战之一。
型化、轻便化、多功能化、高集成化和高可靠性方向
电源完整性问题是指,在高速系统中,电源分配
发展,而半导体器件的封装也正朝着多引脚、细问距网络在不同频率,存在小同输入阻抗,导致POB电
和表面蛄装的方向发展。相应地,作为各种元器件源/地平雨上出现由噪声电流、瞬态负载电流引
的支撑和互连的PCB则正朝着小型、高速、高密度和起的红噪声电压,造成供电不连续,产生电磁骚抗
轻量化的方向不断攀升,其设计的复杂程度带来的发射,重影响高速系统的正常下作。
各种挑战伓断增加川,厂商面临的产品面世时间的
当前,电源完整性题主要通过两个途径解决
力也越米越大。在信号完整性分析研究的同时,如即优化PB的登层设计及布局布线和交装公稠电
何提供稳定可靠的电源也已成为重点研究方向之容。在高速系统工作速率低」400MHz时,在:恰当
。尤其当开关器件数目不断増加,电源电压不断位置安装合适的去耦电容,有助于减小电源完整性
降低的吋候,电源电床和地电位的波动会给高速系问题;当系统速率更高吋,去耦电容作用減小。这
统带米致命的影啊。随着高速系统设计对仿真精度时,只有通过优化PB层间距设计及布局布线,降低
要求的提高,简单的假设电源电炷和地电绝对处电电压,以及适当匹配,降低反射等办法解决电源
于稳定状谷,已越来越不能被接受。于是,电源完警完性问题。完个解决电源完整性问题,难度比解
性的研究分析应运而生。
决信号完整性问题更人,对工程师的技能要求更高。
高速POB的信号完整性技术经过儿十年的发
展,其理论、分析方法和实践都比较成熟。但电源1电源完整性问题的起因及危害
完整性是一项新的技术,日前它是高速POB设计最
造成电源完氅性问题的根源主要在于个方
收稿日期:200-1216修订日期:20060212
o/994-2009chinaAcademicoumnalElecironicPublishingHouseAighisreservedhlp//www.cnki.nel
2006年第1期
高速POB电源完整性研究
而:数字器件在高速开关状态下,?噪声电流和瞬地电容及电路输入电容之和Cs被充电,其值等
态负载电流过大;対」理想电压源,源阻抗为零,输电源电压
出电压保持恒定。然而实际电源分配系统存在电
Vce
感,造成输入阻抗过大,造成很大电磁強北。电源分
配系统可以看成很多电感和电容构成的网络,也可
看成谐振腔,如图1所示,存在谐振效应,影响阻抗
的大小;同时存在边缘效应,即引起边缘反射和边缘
辐射现象。
a
计振敛
图2引线电感L产生业噪声电压
当」1H高电位间低电位酮转时,将有电流
边觉
N=lp由门电路注入地线,由于地线电感L的作用
图1边缘效应和谐振效应
在门1和门2的接地端产生尖峰电压.即噪声电
1噪声电流的产生与危害
压。设I=l=4mA,tr=2ns,地线电感L为500
nH,则?噪声电乐引起的电源电乐波动为
在数字电路的信号完幣性( Signal iritegitty)词
V=-ldi/dt=500 NH(4 MA/2 ns)=1
中,一个很重要的派部分是?噪声电流题,也
如果」2输出低电半,该尖峰脉冲耦合到门
称为地弹( ground be nce)问题。其产生和进行骚的输入端造成门」4状的变化。所以?噪声电床
的基本机理是,当1数子集成电路加电工作时,它内部不仅引起了传导和辐射、还会造成电路的误操作、若
的门电路将会发生0”和”的变換,实际上是输出想减少噪声电压的幅度,需要减小地线电感。
高低电位之间的变换。在变换的过程中,该门电路
红噪声电压对数子电路有以下危害
中的品体管(?于T电路是三极管,对于OMOS电
(1)影响同一集成心片内其他门电路的正常⊥工
路是场效应管)将发生导通和截止状念的转換,会有作。如果?噪声电乐足够大将使门电路的工作电
电流从所接电源流入门电路,或从门电路流入地线,源电发较大的偏移,从而使芯片工作异常,发4
从面使电源线或地线上的电流产生不平衡,发生变错误。
化。这个变化的电流就是△江噪声的源,亦称为
2)影响其他集成心片的运行。一个心片产生
噪声电流。山于电源线和地线存在一定的阻抗,其的噪声将沿着电源分配系统传导,从而使其他芯
电流的变化将通过阻抗引起尖峰电压,并引发其电片工作异常发生错误。
源电乐的波动,这个电源电压的变化就是噪声电
3)使门!电路的输出发生波形扭山变形,从而增
压,会引起误操作并产生传导骚扰和辐射骚扰。由加相连门电路的作矩退时间,严重时可使整个电
」在集成电路内,多个」电路共用一条电源线和地路的机器工作周期发生素乱,导致工作错误。
线,所以其他电路将受到电源电压变化的影响,严
(4)造成严重的电磁骚扰发射。
重时会使这些门电路工作异常,产生运行错误。这
随着集成电路运行速度口益提高,集成电路
利噪声电流也可称为心片级红噪声电流。同片和数子即制电路板的集成度日益増大,噪声电
时,在一块数字印制电路板上,常常是多个芯片共用压的骚扰H趋明显,过去忽略?噪声电压的电路设
同一条电源线和地线,而多层数字印制电路板则釆方法已不能适应现代数字电路的发展,所以,必须
用整个金属薄面作为电源线或地线。这样,一个芯研究噪声电压的特性,以期得到抑制T噪声电
片工作引发的△I噪声电流将通过电源线和地线骚压的电路设计方法。这对」目前广泛应用的CMOs
扰其他芯