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力存储单元和滤波器。
动力平面设计与布局相结合，以优化性能。

开关电源电路

电源完整性确保了设计、布置和布线工作的最大化。

任何具有少量复杂性的设计都必须适当考虑为电路带来生命的动力系统。无论是单一电源还是多个电网，忽视电力系统就类似于忽视循环系统的重要性。如果没有适当的电源完整性保障措施，设计就很容易遇到严重的运行时问题，无论是由于电流不足引起的故障，还是由于模糊逻辑输入产生无法破译的输出。

在深入研究电源完整性以及如何最好地将其最佳实践纳入设计之前，重要的是要了解工作中的一些基本物理，从阻抗匹配和最大功率传输的主题开始。

《权力完整性物理学》

电源完整性是一个三头系统，由(按频率响应增加的顺序)电源、去耦电容器和IC封装和芯片的固有电容组成。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，以形成适当的滤波效果。阻抗对于电源完整性来说是一个非常重要的话题，可以一直追溯到功率传递函数．在直流和其他非常低的频率下，负载下的功率由公式给出:

这个方程是从功率方程和欧姆定律的另一种形式推导出来的。当电源的电阻等于负载的电阻时，或换句话说，当负载和源电阻形成1:1的分压器时，发生最大功率传输。然而，非理想化的寄生和大多数频率使得电阻模型的范围过于狭窄。为了正确地考虑这些因素，设计人员必须转而关注电路的阻抗剖面。

阻抗是一个复杂的值，由实际电阻(表示信号的大小)和虚电抗组成，虚电抗作为周期信号的相移。考虑到它们的相似性，最大功率传输的条件也符合如下条件:

Z表示阻抗。“*”表示复数共轭-如果c是c = a + bi形式的复数，则c*= a - bi。具体地说，在电路方面，复值由感应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来分解为它的纯大小。最大功率传输发生在虚分量和为零时-本质上，阻抗网络必须提供一个相等和相反的电抗值，以抵消阻抗的虚分量求和时。因此，在纯电阻电路中理想的最大功率传输是源和负载的虚分量为零的特定情况。

请注意，上面(实际上，在本文的其余部分)没有提到效率，这在讨论权力时似乎很奇怪。事实上，阻抗匹配是一种效率非常低的电力输送方法，但它在电力系统中有着非常重要的作用。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内容得到充分利用，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条件。双极结晶体管(BJT)的基极与地的连接较差(或者由于噪声而不能正确地对地进行寄存器)，可能会感知到集电极-发射极结周围区域的局部电压增加作为参考。由于相对较大的正向偏置，这可能意味着基底将其实际的正电压视为与升高的“地”相关的负电压。这会导致BJT的关闭，从而关闭集电极-发射极，允许该过程不断重复，直到底座上的电压停止。由于地面弹跳难以诊断，因此尤其麻烦。
电磁干扰—负载下的功率传输越有效，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，这可能会导致明显的EMI问题，导致合规性测试失败。
额外关注-如果没有其他转换途径，负载上未转移的能量最终转换为热能。在密度极高的设计中，这可能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。由于高灵敏度设备，在特定电磁频谱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数百个，甚至数千个。电容器在电源设计领域中扮演多种角色，但首先考虑最基本的组件操作。

电容器，在电子产品中常见的水类比中，起着储存罐的作用，只不过它包含的是电荷而不是水。取决于你问的是物理学家还是工程师，电容器在经过4到5个离散的周期后被认为是“满”的(实际上，电容器从未完全充电或放电)，这被称为时间常数。的电容的时间常数与引线的固有电阻和封装的电容直接相关，例如:

τ (tau)是时间常数。公平地说，在相同的产品线和包装内，阻力或多或少是不变的。有了这个警告，电容器的充放电时间主要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，在电源下降时填补。布局设计人员通常应将这些小型去耦电容器尽可能靠近ic上各自的电源和接地引脚，如原理图中所示。这就产生了尽可能小的电流环路，当连接到快速开关调节器的输出时，这是特别重要的。逐步较大的去耦电容器可以放置在离封装更远的地方，因为它们和各自引脚之间不太需要短而低阻抗的路径。

这不是去耦电容器服务的唯一功率功能-事实上，其同名的原因还没有被覆盖。解耦电容器起带通滤波器的作用，允许足够高的瞬态通过。此范围拒绝直流和低频率以及通常与高速范围相关的较高频率。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的路径。或者，在操作范围内分流交流频率有助于保护相关电路免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，不存在太多去耦电容器这样的事情。

平面设计:从堆叠到形状

电源和地平面的设计协作，为最大限度地减小回路尺寸的直流路径提供全面的覆盖。不良或不完整的覆盖会导致严重的EMI问题以及不可预测的电路性能。在讨论与飞机有关的问题时，有许多方面需要考虑电力完整性，从堆叠开始．

分层盘旋飞行

叠加是信号层和平面层在z轴上的物理方向和指定。虽然确切的层配置可以根据特定板的需要而改变，但平面层通常是串联成对的。大多数情况下，在四层堆叠，放置和布线将发生在外层，而内层分别用于地面和电源。

地面和动力平面

地平面为信号和电源等形成一致的参考电压，同时还确保返回回路保持小，以限制排放。另一方面，功率平面不太可能占据整个层，相反，一些互补平面形状的细分将理想地与布局协同作用，使功率形状完全包含所讨论的网络。在更多层计数的堆栈中，有必要确保信号和电源平面之间的一致地面覆盖。

铜的特性

与电源和地平面堆叠中的位置同样重要的是铜特征的物理形状。形式遵循功能，性能要求有足够的表面积，以避免产生超过铜所能承受的高热和表面电流密度的位置。避免过多的领口，并注意围绕板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

作为一般提醒，平面电流将遵循最小阻抗的路径，这意味着环路将希望采取从电源或电源电路到ic各自的电源引脚的最直接路线。如果电流路径更严重地局限于形状的一侧或边缘，那么捕获所有必要引脚的平面设计可能仍然容易出现性能问题。为此，在设计功率形状时，要避免过度的凹度，这可能会困住电流和热量。如果可行，更好的解决方案是跨多个功率平面层设计功率形状。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。