于争《电源完整性设计详解》学习总结

      短短的十几页说明将电源完整性说明的通透无比，对比以往所看的教材都只是在表面说明一下就一笔带过，这样事是而非的解答并没有起到多大的作用，反而更容易引起其他方面的疑惑。

      现将学习心得总结如下：

一：电源系统噪声余量分析

      比如芯片正常工作电压范围为 3.13V 到 3.47V 之间，稳压芯片标称输出 3.3V。安装到电路板上后，稳压芯片输出3.36V。那么容许电压变化范围为 3.47-3.36=0.11V=110mV。稳压芯片输出精度±1%，即±3.363*1%=±33.6 mV。电源噪声余量为 110-33.6=76.4 mV

      注意四个问题：
      第一，稳压芯片输出电压能精确的定在 3.3V 么？外围器件如电阻电容电感的参数也不是精确的，这对稳压芯片的输出电压有影响，所以这里用了 3.36V 这个值。在安装到电路板上之前，你不可能预测到准确的输出电压值。
      第二，工作环境是否符合稳压芯片手册上的推荐环境？器件老化后参数还会和芯片手册上的一致么？
      第三，负载情况怎样？这对稳压芯片的输出电压也有影响。
      第四，电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声来源不仅仅是电源噪声，反射串扰等信号完整性问题也会在信号上叠加噪声，不能把所有噪声余量都分配给电源系统。所以，在设计电源噪声余量的时候要留有余地。

 

二：电源噪声是如何产生的？

      第一，稳压电源芯片本身的输出并不是恒定的，会有一定的波纹。

      第二，稳压电源无法实时响应负载对于电流需求的快速变化。

      第三，负载瞬态电流在电源路径阻抗和地路径阻抗上产生的压降。

 

三：电容退耦的两种解释

      1. 从储能的角度来说明电容退耦原理

       大部分教材都是以此来解说的，特别是对于板级电源的退耦大电容。即认为当负载电流突然变化时，电源输出反应时间没有负载所需的电流变化快而造成电压下降，此时大电容两端电压发生变化而开始放电来补充负载所需的电流变化值。从以上来讲即退耦电容作为一个储能期间来满足负载的电流变化。

      这样理解简单易懂，但是是乎总是缺少点什么，并没有从电源完整性的原理上加以阐述清楚。

 

      2. 从阻抗的角度来理解退耦原理

      电源可以如下公式表述：ΔV=ZΔI

      电源完整性的实质即是负载电流如何变化时，电压变化值均要在很小的范围之内，为了满足这个要求就必须使电源动态阻抗很小。我们是通过去耦电容来达到这一要求的，因此从等效的角度出发，可以说去耦电容降低了电源系统的阻抗。另一方面，从电路原理的角度来说，可得到同样结论。电容对于交流信号呈现低阻抗特性，因此加入电容，实际上也确实降低了电源系统的交流阻抗。

       这里我们可以得出电源完整性实质即是使电源使阻抗最小。

 

       补充：电源回路中经常会加入磁珠或电感进行滤波处理，但这会不会增加电源路径阻抗呢？

       本人是这样理解。

       PCB中通常是模拟和数字混合电路，因为现代数字IC信号上升或下降变化均为纳秒级，所以在大量IO口或时钟信号线变化时有众多信号上升或下降所产生数量庞大的高次谐波，同时电位变化将产生不断变化的电流，其流过电线以及印刷电路板上的电源和电子器件间的布线与层面，产生出电压变化：

       

       

其中，C1 为输入侧的输入电容，L 为输入电感，C2 为П型滤波电路的输出侧 电容；C1 的主要目的是为了限制上电瞬间的电压上升率，并滤除输入侧电路由电源引入的纹波，因此，C1一般是由直流电容及交流电容组成的并联电容组，其中直流电容的主要作用是去除电容中的纹波，而交流电容的主要作用是为了去耦.从参数及器件选择上，输入侧一般选取钽电容，去耦电容的值为0.01uf ~1uf 之间，针式或贴片均可，但从生产工艺的角度，则以选取贴片为佳，推荐的参数为直流电容10uf，交流电容0.1uf。 电感的作用为抑制电流变化率，电感越大，抑制效果越好，但同时电感太大时的上电特性不好，上电及下电时，电感两端会产生反电势，这样会对后面的负载产生影响，故参数不宜过大，因而推荐的参数为10uH.输出侧的电容不仅要完成去耦及滤纹波的作用，而且还须维持滤波后电平不受电感反电势的影响，兼顾考虑板内负载大小及板内其他去耦电容的数量，推荐参 数为直流电容10uf，交流电0.01~1uf。