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板级电源分配网络的分析与仿真
在硬件电路设计中，电源系统的设计是关键步骤之一，良好的电源系统为电路板
上各种信号的传输提供了保障。本章将研究电源完整性的相关问题，并提出一系列改
进电源质量的措施。
3.1 电源完整性
电源完整性（Power Integrity）简称为 PI，是指电源分配网络（Power Distribution
Network，PDN）能够满足负载芯片对电源的需求。其设计目标主要有两个：一是为
负载提供干净的供电电压，二是为信号提供低噪声的参考路径[21]。
随着芯片开关速度和晶体管数量的不断提高，芯片的功耗不断增加，开关在切换
时所需的瞬态电流需求越来越大，这些变化给电源分配网络的设计提出了巨大的挑战。
电源分配网络主要由如下几部分组成：电源芯片、安装在 PCB 板上的电容以及芯片
内部的电容和电源网络。本文主要针对安装在 PCB 板上的电容、电源和地平面进行
分析。
3.1.1
电源噪声的来源
电源噪声的来源主要包括三个方面：
（1）电源芯片输出存在纹波。这部分噪声由芯片的制作工艺以及工作原理等决
定，当选择好电源芯片时，相应的输出噪声就会存在。常用的电源芯片有开关电源和
线性电源两种。开关电源的优点是发热少，转换效率高，一般可以达到 85%，输出电
流大，缺点是输出的波动较大，且可能会有尖峰脉冲，需要在输出端添加磁珠来改善。
而线性电源的发热较为明显，转换效率较低，但是线性电源的输出稳定，纹波较小。
要根据供电要求灵活选用。
（2）稳压电源无法及时响应快速变化的负载电流需求。随着芯片工作频率的不
断提高，芯片需要的电流变化的频率也越来越高，当该频率超过稳压电源的调整频
率时，稳压电源就无法及时为负载提供足够的电流，进而导致输出电压下降，产生
电源噪声。
（3）电源路径和地路径上存在压降[22]。由于电源路径和地路径存在阻抗，当电
流流过这些路径时，就会产生压降，因此负载电压就会随着电流的变化而产生波动。
同时过孔、封装引脚和芯片内部的电源网络也存在阻抗，都会产生压降。
3.1.2
建立仿真模型
仿真软件选择 Cadence 公司的 Allegro PCB PI Option XL 组件，该组件可进行电
源噪声分析和高速 PCB 电源分配系统的设计，其仿真功能主要分为单节点仿真和多
节点仿真两种[23]。单节点仿真仅考虑电容的去耦能力和目标阻抗之间的关系，通过该
仿真可以对比不同去耦电容网络的去耦能力的差别，方便用户选择合适的去耦电容网
络。多节点仿真则会考虑噪声源信号、电容的滤波半径和电容的布局等参数，该仿真
结果更接近真实的情况，通过多节点仿真可以完成去耦电容的布局工作。仿真软件的
基本使用流程如图 3.1 所示。
由于本章的主要内容在于电源完整性相关问题的分析与仿真，故电路模型的设计
重点放在电源分配网络的建立上，不考虑其余的外围电路。按照上述设计流程建立如
图 3.2 所示的预布局仿真模型。
如图 3.2 所示，该仿真模型的尺寸为 55*47.5mm，具体电路包括：DSP 控制芯片
TMS320F28335、1.9V 电源芯片 TPS74401、3.3V 电源芯片 TPS75633 以及由收发器
MAX490 和光电隔离芯片 HCPL0600 构成的上位通信接口电路；14 芯排针则作为接
插件，引入该模型所需要的 5V 电源。电路的工作频率取 DSP 的工作频率 150MHz。
需要说明的是，在进行电源完整性仿真时，DSP 芯片和上位通信接口电路仅起噪声源
的作用，不考虑其实际的电路功能。
在完成预布局的基础上对仿真模型进行电源层划分，该模型所用到的电源有：
1.9V、3.3V、5V 和 GND。划分好的电源平面如图 3.3 所示。
如图 3.3 所示，该模型的电源层一共划分为 3 层：第（1）层为完整的地平面；
第 （2）层则进行分割，划分为 1.9V 电源平面和 5V 电源平面；
第（3）层为完整的 3.3V
电源平面。各个电源层之间的间距设置为 8mil。
3.2 去耦电容
为了使电源芯片的输出能够快速响应负载芯片的需求，主要采用的方法是在电源
芯片的输入输出引脚和负载芯片的供电引脚周围放置去耦电容[24]。本节将重点分析 
电容的去耦原理和频域阻抗特性，并通过仿真提出改善电容去耦能力的措施。
3.2.1
电容去耦原理
电容去耦的原理可以从储能和阻抗两个角度进行理解。
（1）储能去耦原理
图 3.4 给出了电容的储能去耦原理，C 为电源芯片外放置的去耦电容组合。当负
载电流保持不变时，电源电压和电容两端的电压也不变，且与负载芯片两端的电压一
致，此时流过电容的电流为零，负载所需的电流由电源提供。当负载芯片的电流快速
变化时，需要电源能够立即提供给负载芯片所需的电流，但是电源往往不能及时响应
负载电流的变化，这就会导致负载芯片的电压产生变化。此时电容两端的电压也会随
着负载电压的变化而变化，电容就会进行充放电并产生电流
为负载芯片提供电流，
从而保证负载芯片的电压不会产生明显的变化[25]。
从储能的角度来理解去耦电容的作用比较直观，但是对于电路设计却没有多大的
帮助，因此需要从阻抗的角度理解电容的去耦原理。
（2）阻抗去耦原理
将图 3.4 中的负载芯片去掉，可以得到如图 3.5 所示的模型。从该模型的输出端
看进去，将电源与电容组合 C 当做一个整体的电源系统，即可以简化为图 3.6 所示的
电路。
然后在仿真模型内添加电压调节模块（VRM）和噪声源，由于 1.9V 电源仅为 DSP
的内核电源引脚供电，因此在 DSP 的位置添加噪声源，并设置噪声电流的最大幅度
为 0.5A。为了对比不同布局情况下的去耦效果，将分两种方式对去耦电容进行布局。
首先采用第一种方式进行布局，即将小电容均匀放置在最靠近DSP芯片的位置，
而大电容则适当远离 DSP 芯片放置，这种电容布局方式如图 3.17 所示。同时可以看
到，组件会自动在模型中设置多个仿真节点，这里选择位于 DSP 下方的四个仿真节
点进行仿真。多节点仿真结果如图 3.18 所示。
3.3 提升电源质量的措施
通过分析电容的实际特性、并联特性和安装后的特性，对比不同的电容网络选择
方法的去耦效果，可以得出一系列能够改善电源分配网络去耦效果的方法。在电路板
的设计过程中，具体可以采取以下方法来改善电路的电源完整性：
（1）要合理选择电源芯片，兼顾转换效率与输出纹波。同时针对不同的场景灵
活选用线性电源和开关电源，比如给对电源比较敏感的模拟电路供电时，可以选择输
出噪声低的线性电源。
（2）去耦电容网络的选择尽量采用 Multi-Pole（MP）方法，选择多种电容值的
电容搭配使用，避免使用容值差较大的去耦电容网络，为了兼顾成本与去耦效果，可
以使用 One per decade 方法来选择去耦电容。
（3）摆放电容时要考虑其去耦半径的大小，小电容要靠近芯片，而大电容可以
摆放的远一些。同时去耦电容要均布在芯片四周，不同电压的去耦电容要交替摆放。
（4）安装电容时，减小电容走线的长度，同时要加宽走线的宽度。这样可以保
证其电流回路面积较小，减少了安装电感对电容去耦效果的影响。
（5）电源平面和地平面的层叠设置要合理，尽量使电源平面与其对应的地平面
相邻。分割电源平面时尽量保证形状规则，使平面的阻抗均匀。
信迈提供高速信号仿真方案。