电源完整性:可靠性的支柱

2022年9月14日

关键的外卖

通过阻抗匹配和最大功率传输的主题可以更好地理解功率完整性。
去耦电容器充当本地电源存储单元和滤波器。
动力平面设计与位置设计相结合，以优化性能。

开关电源电路

电源完整性确保了设计、布置和路由工作的最大化。

任何具有少量复杂性的设计都必须适当地考虑给电路带来生命的动力系统。无论是单一电源还是多个电网，忽视电力系统就相当于忽视了循环系统的重要性。如果没有适当的电源完整性保障措施，设计就很容易遇到重大的运行时问题，无论是由于电流不足导致的故障，还是由于模糊逻辑输入导致的无法破译的输出。

在深入研究电源完整性以及如何将其最佳实践最佳地结合到设计中之前，了解一些工作中的底层物理是很重要的，首先从阻抗匹配和最大功率传输主题开始。

电力完整性的物理学

电源完整性是一个三头系统，由电源、去耦电容和IC封装和骰子的固有电容(按频率响应增加的顺序)组成。设计人员和工程师必须仔细考虑电力系统不同范围的频率响应，以设计出适当的滤波效果。阻抗对于电源完整性来说是一个非常重要的话题，可以一直追溯到动力传递函数．在直流和其他非常低的频率下，负载处的功率由以下公式给出:

这个方程是从幂方程和欧姆定律的交替形式推导出来的。当电源的电阻等于负载的电阻时，或者换句话说，当负载和源电阻形成1:1分压器时，发生最大功率转移。然而，非理想化的寄生和大多数频率使电阻模型的范围过于狭窄。为了恰当地考虑这些因素，设计者必须转而关注电路的阻抗剖面。

阻抗是一个复值，由真实电阻(表示信号的大小)和虚抗组成，虚抗作为周期信号的相移。考虑到它们的相似性，最大功率转移的条件也一致如下:

Z表示阻抗。“*”表示复共轭-如果c是c = a + bi形式的复数，则c*= a - bi。具体来说，在电路方面，复值用电感电抗或电容电抗表示，分别为正和负。一个复值可以通过取实分量和虚分量平方和的平方根解为其纯大小。最大功率传输发生在虚分量和为零的时候——本质上，阻抗网络必须提供一个相等且相反的电抗值，以抵消求和时阻抗的虚分量。因此，在纯电阻性电路中理想的最大功率传输是在源和负载的虚分量为零的特定情况下。

请注意，上面没有提到效率(实际上，在本文的其余部分)，这在讨论权力时可能显得很奇怪。事实上，阻抗匹配是一种效率极低的电力输送方式，但它在电力系统中起着非常重要的作用。阻抗匹配可以显著降低电压纹波和噪声等有害影响。最大功率传输确保交付给负载的功率被充分利用，以防止以下一些问题:

地面反弹-导致数字逻辑高电平和低电平之间的错误状态的不稳定状态。双极结晶体管(BJT)的基极如果与地连接不好(或者由于噪声而不能正确地记录地)，则可以将集极-发射极结附近区域的局部电压增加作为参考。由于相对较大的正向偏置，这可能意味着基底感知到它的实际正电压为负，参照增高的“地”。这导致BJT的关闭，关闭集电极-发射极，允许过程不断重复，直到基极上的电压停止。地面弹跳因其诊断困难而特别麻烦。
电磁干扰—负载处的功率传输越有效，反射信号的强度越低。在电源的情况下，反射信号通过导体(地面和电源平面)之间的空间，这可能导致明显的EMI问题，直到合规测试失败。
额外关注-如果没有其他转化途径，负载上未转移的能量最终会转化为热能。在非常密集的设计中，这可能会导致早期组件或材料磨损、失效，并可能产生烟雾和火灾危险。由于高灵敏度的设备，在电磁频谱的特定频率下运行的能量可能会受到干扰。

去耦电容器填补多个电源角色

去耦电容器为任何正常运行的电力系统提供了丰富的功能。事实上，即使是最缺乏布局经验的设计师，也可能在大型设计中遇到过成百上千个。电容器在电源设计领域中扮演多种角色，但首先要考虑最基本的组件操作。

电容器，在常见的类比水的电子，作为一个储存罐，除了它包含电荷而不是水。取决于你问的是物理学家还是工程师，一个电容被认为是“满”的(实际上，一个电容从来没有完全充电或放电)，经过4或5个离散循环，称为时间常数。的电容的时间常数直接与引线的固有电阻和封装的电容有关，即:

τ (tau)是时间常数。可以公平地假设，在相同的产品线和包装中，阻力或多或少是恒定的。有了这个警告，电容器的充放电时间是由它的电容驱动的。就电力系统而言，这意味着较小的法拉电容器是快速响应的存储单元，每当电源下降时就会填补。布局设计者通常应该把这些小的去耦电容放在离集成电路各自的电源和接地引脚尽可能近的地方，如原理图中所示。这就创造了最小的电流回路，当连接到快速开关调节器的输出时，这是特别重要的。逐步更大的去耦电容可以放置在离封装更远的地方，因为在它们和各自的引脚之间不太需要一个短的、低阻抗的路径。

这并不是功率函数解耦电容器的唯一用途——事实上，其同名的原因尚未被提及。解耦电容器起带通滤波器的作用使得足够高频率的瞬变得以通过。该范围拒绝直流和低电平频率，以及通常与高速范围相关的更高频率。拒绝直流阻碍其通过电容的流动，加强通过IC电源和接地引脚作为最小阻抗路径的通道。或者，在操作范围内分流交流频率有助于保护相关电路不受任何可能导致组件中意外操作或性能问题的杂散瞬变的影响。

对于电源完整性来说，不存在过多的去耦电容器。

平面设计:从堆叠到形状

电源和地平面的设计协作，为直流电路提供全面的覆盖，使回路尺寸最小化。不良或不完整的覆盖会导致严重的电磁干扰问题以及不可预测的性能从电路。当讨论与飞机有关的问题时，有许多方面需要考虑电源完整性，从堆叠开始．

分层盘旋飞行

叠加是信号层和平面层在z轴上的物理方向和名称。虽然确切的层配置可以根据特定板的需要而改变，但通常情况下，平面层是串联成对的。通常,在但是堆栈布局和布线将发生在外层，而内层分别为地面和电力保留。

地面和动力飞机

地面为信号和电源形成一致的参考电压，同时也确保回路保持小，以限制排放。另一方面，电力平面不太可能占据整个层，相反，一些补充平面形状的细分将与布局相协调，以这样一种方式，电力形状完全包含网络问题。在多层数较多的堆叠中，有必要确保信号和电源平面之间的地面覆盖一致。

铜的特性

与电源和接地面的位置一样重要的是铜的物理形状特征。形状遵循功能，性能要求有足够的表面积，以避免产生高热量和表面电流密度，超过铜的承受能力。避免过度的领口，并注意围绕板的形状或不规则程度的功能进行设计，这可能会进一步抑制性能。

权力的形状

作为一个普遍的提醒，平面上的电流将遵循阻抗最小的路径，这意味着环路将从电源或电源电路采取最直接的路线到集成电路各自的电源引脚。如果电流的路径更偏重于形状的一侧或边缘，那么捕获所有必要引脚的平面设计仍可能容易出现性能问题。为了达到这个目的，在设计电源形状时要避免过度的凹面，这可能会困住电流和热量。一个更好的解决方案，如果有，是设计电源形状跨越多个电源平面层。这样做需要在高通孔集中区域(通常是电源源)重叠，以避免少数通孔负责提供电源平面形状所需的电流通量的情况。