75电源完整性设计指导
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技术文件；技术文件名称：电源完整性(PI)设计指导；技术文件编号：；版本：V1.0；文件质量等级：；共73页；(包括封面)；拟制；审核；会签；标准化；批准；目录；1电源供应系统的组成及电源完整性问题......；1.1；1.2概述...................；1.2.1AC/DC和DC/DC基本原理以及拓扑；1.2.2AC/DC和DC/DC差模与共
件 技术文件名称： 电源完整性(PI)设计指导技术文件编号：版
本：V1.0 文件质量等级： 共
73 页(包括封面) 拟
签 标准化批
准 目录1 电源供应系统的组成及电源完整性问题 ............................................................................... 31.11.2 概述 ........................................................................................................................... 3 AC/DC和DC/DC转换器的特性与选用 ................................................................ 41.2.1 AC/DC和DC/DC基本原理以及拓扑模型 .................................................... 51.2.2 AC/DC和DC/DC差模与共模噪声模型 ........................................................ 51.2.3 AC/DC和DC/DC滤波 ................................................................................... 71.2.4 AC/DC和DC/DC转换器指标以及选用 ...................................................... 111.3 滤波电容特性 ......................................................................................................... 121.3.1 去耦、滤波电容的分类 ................................................................................. 131.3.2 分布参数对电容阻抗频率特性的影响 ......................................................... 141.4 电源、地耦合平面特性 ......................................................................................... 161.4.1 电源地平面的电容特性 ................................................................................. 161.4.2 电源地平面的谐振特性 ................................................................................. 172 电源、地平面的功能与设计原理 ......................................................................................... 202.1 电地平面的阻抗与滤波功能 ................................................................................. 212.1.1 电地平面地目标阻抗 ..................................................................................... 212.1.2 目标阻抗的获得 ............................................................................................. 212.2 电地平面的信号参考功能 ..................................................................................... 262.3 电地平面的EMI抑制 ........................................................................................... 282.3.1 PCB叠层的处理： ........................................................................................ 282.3.2 PCB分割、布局、布线和电源平面分配问题............................................. 282.3.3 地平面地划分和处理 ..................................................................................... 292.3.4 地电平面谐振地处理 ..................................................................................... 302.3.5 电源滤波的处理 ............................................................................................. 312.3.6 其他与EMI密切相关的问题 ........................................................................ 313 电源、地平面的通用设计规则 ............................................................................................. 323.1 叠板的常用形式DD4层、6层、8层、10层 ................................................... 323.1.1 4层板 .............................................................................................................. 323.1.2 6层板 .............................................................................................................. 333.1.2.1 6层板叠板1 ........................................................................................... 333.1.2.2 6层板叠板2 ........................................................................................... 343.1.2.3 6层板叠板3 ........................................................................................... 353.1.3 8层板 .............................................................................................................. 353.1.3.1 8层板叠板1 ........................................................................................... 353.1.3.2 8层板叠板2 ........................................................................................... 363.1.4 10层板 ............................................................................................................ 373.2 平面分割的常用形式 ............................................................................................. 383.3 滤波和去耦 ............................................................................................................. 403.3.1 电容在系统中的重要性 ................................................................................. 403.3.24 在单板中正确使用去耦电容 ......................................................................... 41 电源地平面的仿真方法 ......................................................................................................... 424.14.2 概述 ......................................................................................................................... 42 电源地平面的谐振分析 ......................................................................................... 434.2.1 仿真前设置 ..................................................................................................... 434.2.2 平面谐振特性分析 ......................................................................................... 43叠层和地电分割对电地平面谐振特性的影响 ..................................................... 474.3.1 改变地电分割前的谐振特性 ......................................................................... 474.3.2 改变地电分割后的谐振特性 ......................................................................... 524.3.3 地电分割改变及叠层改变分析结论 ............................................................. 53频率扫描（AC SWEEP） ..................................................................................... 53平面的阻抗分析 ..................................................................................................... 614.5.1 概述 ................................................................................................................. 614.5.2 目标阻抗确定 ................................................................................................. 614.5.3 使用ANSOFT软件进行优化 ....................................................................... 62关键信号的全波SPICE分析 ................................................................................ 65 4.3 4.4 4.5 4.6
1 电源供应系统的组成及电源完整性问题1.1 概述在电子通信系统设计中，为芯片及互连提供宽频带完好的电源环境，即满足电源完整性要求的电源地回路环境是影响整个系统可靠性的非常重要的因素。从单板、背板到整机，电源完整性都是重要的设计考虑。随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪比与误码率，及EMI/EMC等重要指标。此外电源完整性也影响到硬件，特别是PCB的成本控制，即如何以恰当的设计代价取得相对最优的效果并减少设计反复。设计一个高性能的电源供应系统，实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片通讯所引起的回流、辐射及串扰。低的电源、地噪声对于EMI的控制也是必须的，根据FCC标准，在1GHz的频段范围内，要求整机的辐射发射和传导发射不得超过标准值。EMI在很大程度上和电源、地设计有关。因此如何通过电源完整性设计来降低电源及电地平面引起的EMI辐射，也是硬件设计人员必须面对的一个难题。同样需要引起注意的是：电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电源的完整性设计。所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。硬件设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。电源完整性问题就其根本原理而言是一个较为复杂的电路与电磁场互动的问题。电源模块自身、带分布参数的滤波电容、集成电路的输入/输出等都属于电路问题，在原理图上是显现的；电源系统相关元件的物理位置和PCB叠层结构等则属于物理问题，也即电磁场分布问题，在原理图上是隐含的。孤立地分析电路或电磁场都不能解决电源完整性问题，解决问题需要将显现原理图和隐含原理图统一起来做分析。显现原理图问题由电路分析解决，而隐含原理图由电磁场方法求解。因此解决电源完整性问题需要将电路分析和电磁场求解统一起来，实现互动。譬如研究怎样的电路激励会产生怎样的电磁场分布，产生的电磁场又如何传播并影响接收电路。研究电源完整性问题能够解决诸如最佳的叠板结构与分割问题、最佳的滤波电容参数和放置位置问题、含回流及平面波动特性的信号完整性问题、以及最佳接地和降低EMI辐射问题等等。将信号完整性和电源完整性相结合是设计高速、高密度、高可靠性通讯领域硬件系统的必由之路，具有很重要的实用价值。通常，PCB电源供应系统也即电源分配系统包括如下几个重要部分：电源模块、电地平面以及各种去耦滤波元件等组成，不是单纯指的电源模块一个部分，如图1-1所示。我们分析电源完整性也并不是只关心电源的直流特性，而是考察电源系统，物理上从电源模块到芯片封装这样一个全路径；频带上从直流到工作频率的五至十倍频这么一个很宽的范围。电源噪声主要来自两个部分：一个是AC/DC或DC/DC转换器由于内部开关产生的噪声，另一个是各芯片工作时带来的SI噪声，这种噪声在多个信号线进行翻转时，表现的尤为明显。针对这些噪声产生的机理和频率特性，我们可采用不同的去耦、滤波手段来解决。电源、地平面相当于一个极好的高频电容，对噪声的高频成分滤波非常有效，同时也有其独特的谐振、串扰特性。各种电容以及电源、地平面的适用滤波频段特性如图1-1所示。对电源、地平面的分析，其中有一种有效的手段是采用目标阻抗控制来实现对电源分配系统电源噪声的控制，也即将每个芯片的电源、地管脚附近作为观测端口，控制端口的输入阻抗在一定的频率范围内，达到芯片可以接受的容限值，从而控制SI噪声。但是对电源、地平面的分析，涉及到物理结构、物理位置、叠板、滤波、各个器件的动态工作特性等等，非常复杂，详细准确的分析需要采用二点五维电磁场法进行有限元计算，并结合电路仿真的手段，将二者融合。 具体融合的方法有1）电路仿真融入电磁场分析环境。2) 电磁场分析得出电路仿真模型，再融入电路仿真环境。第一种方法优点的是直观，第二种方法的优点精确。二种方法应根据实际问题合理选择。 图1-1
PCB电源供应与滤波系统组成 图1-2
电容、平面滤波的频率特性 1.2 AC/DC和DC/DC转换器的特性与选用包含各类专业文献、应用写作文书、专业论文、中学教育、75电源完整性设计指导等内容。　
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1.正激电路电路的工作过程:本文引用地址：开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长; S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为 . &O变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位.正激电路的理想化波形:变压器的磁心复位时间为:Tist=N3*Ton/N1输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下:Uo/Ui=N2*Ton/N1*T 磁心复位过程:2.反激电路反激电路图反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感. 工作过程: S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加; S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2 反激电路的工作模式: 电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零. 输出电压关系:Uo/Ui=N2*ton/N1*toff 电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零. 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下, ,因此反激电路不应工作于负载开路状态. 反激电路的理想化波形3.半桥电路半桥电路图工作过程: S1与S2交替导通,使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压.改变开关的占空比,就可以改变二次侧整流电压ud的平均值,也就改变了输出电压Uo. S1导通时,二极管VD1处于通态,S2导通时,二极管VD2处于通态, 当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流.S1或S2导通时电感L的电流逐渐上升,两个开关都关断时,电感L的电流逐渐下降.S1和S2断态时承受的峰值电压均为Ui. 由于电容的隔直作用,半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用,因此不容易发生变压器的偏磁和直流磁饱和
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