电源完整性生态系统----不仅仅是去耦电容那么简单

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$ I+ [: ?& E0 z1 i- x, |编者注：这几周有几个活动，把原本用来写文章的时间都用来写交流文档啦。所以本周给大家分享一篇上周在上海的活动中分享的文档《电源完整性生态系统仿真初窥--绝不仅仅是去耦电容那么简单》。由于时间受限，这只是电源完整性其中一部分内容，抛砖引玉，大家相互讨论和学习。


1 G  _8 d% A* U3 }8 u内容如下：
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' P, ^/ j' I9 w& m在高度集成的电子产品中，电源系统的设计占到了设计工作量的50%左右;对于复杂的FPGA类型的产品应用，在电路中常常会达到15～30路不同的电源。
电源完整性的目的就是给系统提供持续、稳定、干净的电源，保证系统稳定的工作。在数字系统中，使信号完整性满足系统设计的要求也需要有一个非常稳定的电源系统，但是又不能使电源系统超标。所以在设计电源完整性时，不仅仅关注的是去耦电容，还需要关注电源完整性、信号完整性和电磁兼容性这个“生态系统”，尤其是要考虑高度集成化的数字电路对电源完整性的影响… …
但是传统分析信号完整性和电源完整性都是分开分析的，为了更好的分析SI和PI的相互影响，我们需要把SI和PI放在同一个EM仿真中来分析。
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真实的PDN是什么样子的呢？主要分为三个部分：供电端（VRM）、用电端（Sink）和传输通道（PCB、Cable、瓷片电容等等）。

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在进行电源完整性设计、分析和仿真的时候都会涉及到一个非常重要的概念，就是目标阻抗？但是目标阻抗真的是很多工程师认为的那么简单吗？
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在真实的电源系统中，电容已经不再是一个简单的电容，而是包含了ESR、ESL的寄生参数。它们有串联等效的作用，也有并联等效的作用，呈现出来的结果都是不相同的。

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PDN阻抗随着频率而变化，不同的VRM也会导致阻抗曲线变化，好的VRM会使整条PDN阻抗曲线非常平滑。

信号的频谱含量范围很广，并且随着传输数据而不断变化，在这种情况下，我们确实需要关注阻抗较高的频率上的强制响应，确保这个响应不要产生影响芯片与芯片之间通信的PDN噪声。

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阻抗曲线都在目标阻抗以下都没问题了吗?如果存在多个不超过目标阻抗的巨大的反谐振点是否可以呢？
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在电路设计时，通常会在电路板上放置非常多的电容，那这些电容如何选型？如何搭配？如何放置？这是每一位工程师都会遇到的情况。

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这是一个实际的案例，PCB是Xilinx的公板，包含了4pcs DDR4颗粒，速率达到3.2Gbps，同时还包含了很多SerDes总线，如USB,SFP+和PCIE等等。有15路主要的电源，与各类数字信号交织在一块16层的PCB板上。

对于这么复杂的PCB设计，如何开始EM仿真呢？最好的方式就是在直流状态下进行IR Drop的仿真，这个很容易理解。使用ADS PIPro就可以完成这个工作。
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温度也会造成电源系统的不确定性，使用PIPro可以进行电源系统的电热联合仿真。下图表示的就是电源系统是否考虑温度的影响，这样导致的结果是不相同的。

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使用PIPro可以提取PDN的S参数，同时仿真PDN的阻抗曲线。

7 X* _. H6 K4 B# r  n& E其实信号与电源的关系就像一艘快艇行驶在海面上，相互之间都是有影响的。为了捕获SI和PI的所有的影响，可以把SI和PI放在同一个EM仿真中同时来仿真以获取一个完整的S参数。

SSN仿真是一直以来SI/PI协同仿真的重点，下面是一个SSN仿真的案例：

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PDN的测量主要有时域测量和频域测量之分，下面是关于SSN噪声测量的案例：

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如何设计一个好的电源系统，这是有一些可以遵循的方法的：

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推荐一本书给大家，这本书详细的介绍了电源完整性以及电源完整性的设计和测试，值得阅读，中文版本是之前我和一些朋友一起翻译的。

没办法把所有讲的内容都在此用文字复述一遍，只能简单的介绍。电源完整性是近几年非常火热的一个领域，有机会再与各位有兴趣的小伙伴一起交流。

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