電源完整性設計

2022-05-02 14:45:11 字數 1597 閱讀 2108

由於晶元工藝不斷改進,從0.35um、0.18um、0.13um到目前的40nm甚至28nm,晶元的核心電壓也在不斷降低,從3.3v、1.8v、1.5v到40nm器件的0.9v,晶元對電源的波動越來越敏感。

與si相比,電源完整性pi是乙個比較新的概念,實際上pi也屬於si研究的範疇,它和si之間的關係非常密切。

保持電源的完整性,就是保持電源的穩定供電。在實際系統中,要做到這一點並不容易,因為系統中總是存在著不同頻率的雜訊。

首先需要把電源分配系統與外界很好的隔離起來,電源系統與外界主要的連線途徑是電壓調整模組,通常總是需要在電壓調整模組的附近使用t型或者pi型濾波網路。以放置低頻雜訊串入。同時大電容也提供了乙個電荷的蓄水池,及時提供電壓調整模組所不能供給的電流。

另外,系統內部的一些元件會產生高頻的電源雜訊,例如在數字邏輯門在翻轉的時候,瞬間會從電源平面汲取一定的電流。電流值雖然不是很大,但是速度很快,如果是電源分配系統的阻抗,電源平面不能及時提供這些電流,那麼就會在這裡產生翻轉雜訊。如果pcb去耦處理不當,這個電源雜訊就會波及整個電源地平面。

與此相類似,當訊號線穿過乙個過孔,切換訊號的參考平面時,例如由地平面切換到電源平面,相應的會在過孔附近的電源平面和地平面之間形成乙個迴路電流,這個迴路電流同樣會成為系統雜訊,波及整個電源分布系統。

同步開關雜訊

同步開關雜訊(ssn)是指由於多個輸出同時發生翻轉而引起的感應雜訊。

要搞清楚ssn的原理,必須從不同的層面來分析。下圖所示,電源分配系統的感抗表示,同時也把矽片到pcb電源之間的連線感抗也表示出來。

ssn模型

從晶元級來考慮,如果多個io同時由「1」到「0」翻轉,會在地腳上產生較大的變化電流,上圖實線箭頭部分,由於晶元電感的存在,而電感的特性是產生乙個反向電動勢來抵抗電流的變化,因此在矽片內部的地平面和單板地之間將形成一定的電壓波動,這種現象又稱為地彈(ground-bounce)。

要知道pcb的地和矽片的地之間的電壓差關係,首先要分析輸出訊號的電壓變化。當輸出訊號由「1」翻轉到「0」時,在輸出驅動器的下拉mos管和晶元電感上將產生乙個相應的電流變化(i),這個電流滿足i=-c*(dv/dt),這裡的負號表示電流的方向(灌電流)。如下圖i的變化情況,首先由0變為最大值,然後再回到0。

ssn產生原理

這樣的電流變化會在「晶元電感」兩端產生乙個電壓的波動(v_ldie) ,根據電感的特性,這個電壓值可以表示為v_ldie=ldie*(di/dt),如上圖。

因此,在矽片地和pcb地之間就有乙個v_ldie的電壓差,假設pcb地保持不變,矽片地上就有乙個相應的雜訊訊號,這個雜訊訊號會對輸出0的靜態訊號造成影響,也有可能使得輸入訊號誤取樣,如下圖,ssn對輸出低訊號的影響。

ssn對輸出低訊號的影響

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