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電源完整性： 如何保證電源分配系統(tǒng)（Power Distribution Network—— PDN）滿足負載芯片對電源的要求，即為電源完整性。
解釋一下，即電源調整系統(tǒng)為各部分電路提供穩(wěn)定正確的工作電壓，使系統(tǒng)的各部分能在負載電流發(fā)生變化時依然能夠保持穩(wěn)定。能夠對系統(tǒng)因狀態(tài)變化或者受到某些影響（比如：電壓波動、串擾、反射、輻射、噪聲等）進行有效抑制。
PDN 系統(tǒng)的作用：
（1）為負載提供干凈的供電電壓；
（2）為信號提供低噪聲的參考路徑（返回路徑）；
（3）減輕電磁干擾（EMI）問題。
理想的電源系統(tǒng)的阻抗為 0 ，但是實際中是存在各種各樣額噪聲，電路是在一定程度的噪聲容限下工作的，如果電源的噪聲超出了系統(tǒng)允許的范圍，就有可能導致系統(tǒng)不能按照既定的方式正常運行。
先分析一下影響電源完整性的原因，找到了病根，才好對癥下藥。
隨著芯片的開關速度越來越快（上升時間越來越?。酒瑑鹊拈_關管不可能同步完成轉換，當一部分的晶體管已經完成穩(wěn)定轉換，而另一部分則還在轉換之中，狀態(tài)的不同步就造成電源早上在芯片內部傳遞，可能導致某些不定態(tài)的晶體管輸出狀態(tài)錯誤。
芯片的開關速度不斷提高，導致瞬態(tài)電流和功耗都隨之增加。
電源分配系統(tǒng)的噪聲來源：
| 編號 | 原因 |
|---|---|
| 1 | 電源穩(wěn)壓芯片自身的輸出存在噪聲，DC-DC 的輸出紋波就比 LDO 大 |
| 2 | 電源的輸出無法對負載電流的快速變化實時響應，造成電壓跌落 |
| 3 | 電源路徑和地回路都存在一定的阻抗，電流經供電回路不可避免的存在壓降，瞬態(tài)電流的變化就造成負載電壓的波動 |
| 4 | 高速信號通過過孔換層引起電源噪聲 |
電源分配網絡包括：電壓調整模塊（Voltage Regulator Module）到電路板上各部分電源之間的互相連接，具體為電路板上的電源平面、地平面、連線、電纜、接口
、電容等。
PDN 系統(tǒng)模型如下圖所示，從左往右依次是 PCB 的 PDN，芯片封裝的 PDN。
電阻是表征導體對直流電流的阻礙作用。當回路中，一段導體有電流流過時，電阻的作用表現(xiàn)為電能轉化為熱能（I^2 R），在導體的兩端產生一定的壓降（U = IR）。電阻的大小與導體的材料，長度，橫截面積，溫度有關。
電源分配系統(tǒng)上的電阻產生的損耗會導致電能轉換為熱能被喪失掉，同時溫度的升高又對電路或一些器件造成影響，從而影響系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。如果某些部分電流持續(xù)增大甚至會導致該部分的電路燒毀。
下圖為電阻在低頻和高頻下表現(xiàn)出來的特性：
電感是表征導體對交變電流阻礙作用的物理量。當導體中有電流流過時，會在導體的周圍形成磁場。當電流變化時，周圍的磁場也會發(fā)生變化，在導體的兩端形成感應電動勢，形成的感應電動勢形成的電流反過來阻礙原有電流的變化。即電感是：通直流，阻交流。這樣形成的電感稱之為自感（L）。當兩個支路距離比較近，兩個支路之間的互相影響稱之為互感（M）。
如上圖所示的一個完整回路，Ia 表示正向的電源回路，Ib 表示方向的地回路。兩個回路各自存在自感，而互相之間又存在互感。當回路上的電流發(fā)生變化時，在電感的周圍就形成磁場，電流變化增大，電感增強，而互感是阻礙自感的變化的。
如上圖的公式，電流的變化必然造成電路上電壓的變化，對于正向，造成的問題就是穩(wěn)壓器的輸出與芯片的輸入端電壓不一致，V 就是電源路徑上的噪聲，造成電源軌道塌陷。而在返回的回路上（一般是地），因為存在一個 V 大小的電壓，導致地平面發(fā)生變化，造成地彈噪聲。
可知： 由于電流變化引起的感應電動勢的變化是產生電源噪聲的原因，如何減弱這種影響，也就是有效的對系統(tǒng)的電源完整性進行控制。
措施：
（1）盡量減小回路中電流的變化率，穩(wěn)定負載的變化造成電流的瞬變，穩(wěn)定電流的大??；
（2）減少電路走線、接線的電感，這就是走線盡可能短、寬的原因，減少電路本身的自感。
去耦電容是目前電路中解決電源噪聲的主要方式，此處也主要是對針對電容的去耦作用。
如下圖，上電過程中，電源對電容進行充電，一段時間之后電容就存儲了一定的電荷量（相當于蓄水池）。如果負載的電流保持不變，即負載上的電壓是穩(wěn)定的，因此電容兩端的電壓也是恒定的且等于負載兩端的電壓，此時 Ic = 0，負載的電流由 Io 提供。
如下圖，從右往左看，我們可以把電源和電容復合看做是一個整體的穩(wěn)壓源。
對于這個電源模型，我們等效為上述的公式，就可以清晰的知道 I 發(fā)生變化，而 V 幾乎不變，這就要求阻抗 Z 足夠小。電容的特性是：阻直流，通交流。從這個角度來看，耦合電容一定程度上降低了整個電源系統(tǒng)的阻抗。
去耦的關鍵是做好電容種類和數(shù)量的搭配，并非一味的增加總容量。
實際的電路之中，電容不僅僅是電容，還有一些等效的參數(shù)，如下圖所示：
在不同的頻段，電容表現(xiàn)出不同的特性。電容的容抗如下;
fo 為電容的諧振頻率，處在諧振點，電容呈現(xiàn)純阻特性，小于諧振頻率時，呈現(xiàn)容性，大于諧振頻率，呈現(xiàn)感性。
然而去耦電容都有一定的工作頻率，只有在諧振點的附近，電容才具有最佳的電容特性。
電容的阻抗特性如下圖：
RLC 的串聯(lián)電路 Q 值定義為：電路串聯(lián)諧振時，感抗/容抗與純電阻的比重。Q 值描述的是電路的選頻特性，計算公式如下：
Q 值越大，電路的頻率選擇性越好，允許通過的電流頻段越窄。但是在電源去耦的時候，負載芯片上有瞬態(tài)電流需求時，去耦電容要立刻給與補償，如果 Q 值很大，可以流過電容的補償電流就會變窄，影響電容人的去耦能力，一般用于電源去耦的時候，選擇 Q 值較小的電容。一般在板級濾波的時候，會放置一些容量較大的鉭電容或電解電容，這兩類電容的額 Q 值較低，可以提供比較寬的有效去耦頻率范圍。
（1）相同容值的 n 個電容并聯(lián)合后，諧振頻率不變，阻抗點的阻抗變?yōu)榱嗽瓉淼?1/n。
為了使整個 PDN 系統(tǒng)的阻抗小于目標阻抗，必須嚴格控制并聯(lián)諧振峰的大小。
（1）Big-V方法：通常的做法就是在芯片每個供電引腳的周圍添加幾個 0.1uF 的電容，另外再增加幾個百微法級別的板級濾波電容。但由前文的介紹可知，同一類型的電容并聯(lián)使阻抗降低，但跟大電容并聯(lián)后依然容易形成并聯(lián)諧振峰，很有可能在 LC 并聯(lián)形成的并聯(lián)諧振峰超過了系統(tǒng)的目標阻抗，這個是我們不希望看到的。
（2）Multi-Pole：使用多種容值的電容并聯(lián)起來，形成去耦網絡。主要分為兩種方式：在十倍程的范圍內選擇一種電容還是三種電容。
| 十倍程一種電容 | 十倍程三種電容 |
|---|---|
| 10uF - 1uF - 0.1uF | 10uF - 4.7uF - 2.2uF - 1uF - 0.47uF - 0.22uF - 0.1uF |
使用 Multi-Pole 方式有比較好的阻抗曲線平坦度，能夠滿足阻抗一直低于目標阻抗。
各種電容的作用范圍如下：
在 PDN 系統(tǒng)中，一般要選擇等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL）比較低的電容來作為去耦電容。
去耦電容的連接方式一段連接芯片的電源引腳，另一端連接地，針對芯片的復雜度和通信速率，分為引腳去耦和平面去耦兩種方式。
電容的擺放根據(jù)容值的大小放置的位置也有區(qū)別，因為不同電容的去耦半徑是不一樣的，如果擺放的位置已經超出了電容的去耦范圍，那么電容的去耦作用也就失效了，所以，根據(jù)去耦半徑的范圍，小電容應該距離芯片的供電引腳近一些，而大電容相對遠一些。
，
去耦電容的安裝核心是減小安裝電感。對于在電路板上的連接和過孔的方式是有一定的要求的。原則是：電容引線盡可能的短，電容單獨打孔，引線盡可能和焊盤的寬度一致，電源和地之間的回路盡可能小。
上圖的（2），（3）是推薦的使用方式，（1）引線又細又長，無疑增加了引線的電感，這與去耦的初衷是相違背的，應該杜絕，（4）是的擺放位置最好，但是占用 PCB 的面積。
目標阻抗法是目前最具有可操作性的 PDN 系統(tǒng)的去耦方式，核心思想是：利用電流的變化量、阻抗、電壓變化量之間的線性約束關系。
PDN 系統(tǒng)的等效模型：
參數(shù)介紹：
| 參數(shù) | 解釋 |
|---|---|
| Ztarget | 目標阻抗 |
| Vcc | 芯片的供電，比如常見的：5V/3.3V/1.8V等 |
| Ripple | 允許的電壓波動，比如±5%，±3 等 |
| ?Imax | 負載芯片的最大瞬態(tài)電流 |
為了保證信號的完整性，電源分配系統(tǒng)的阻抗必須低于目標阻抗。
本文主要是個人在學習電源完整性過程中的一些筆記總結，用于經常復習，參考的連接在文末已給出，感謝他們。本人能力有限，表述記錄的過程中難免有疏漏，歡迎大家積極交流討論。
解決直流壓降的核心是：盡可能增大供電電路上的過流面積，采取的措施有加寬電源層，地平面的寬度，我們可以見到一般高速復雜的 PCB 都需要提供單獨的電源層和地層；另外就是減少電源的回路面積，縮短電源到芯片的距離，增加銅箔厚度等措施。
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