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電源完整性（PI）屬于電子工程領域，專注于確保電子系統的電源輸送網絡（PDN）在整個系統中可以有效地提供穩定的電源。為了可以正常工作，印刷電路板（PCB）、集成電路（IC）和IC封裝需要持續穩定的供電電壓以及最小的電壓波動。同時，還不能干擾信號，并且最大限度地減少因發熱而損耗的能量。因此，設計中需要滿足電源完整性，從而提供可靠的信號完整性，使器件能夠在可接受的溫度范圍內運行，并最大限度地降低功耗。

工程師使用各種軟件工具和物理測試來評估、修改和改進電子系統中的電源輸送網絡（通常也稱為電源分配網絡）。

電源完整性與信號完整性密切相關，而工程師通常會對兩者同時進行分析。隨著電子系統變得更小、更復雜、電源要求更嚴格，以及頻率越高，電源完整性的重要性和挑戰也日益增加。

為什么電源完整性很重要？

乍看起來，相比于電子電路設計其他領域的復雜性，提供可靠的電源似乎相對簡單。只需將器件連接到電源，設置正確的電壓，然后為信號提供電源供電即可。然而，現實情況要復雜得多。電子的移動會產生磁場，從而干擾其他電路或由于電阻而導致功率損耗。

這就是為什么工程師都會在設計流程中盡早分析電源完整性，以發現任何潛在問題。現代電子產品十分復雜，涉及多個組件、層和互連，因此提供適當的電壓變化范圍極具挑戰。

現代電子產品是復雜的多組件裝配體，包括多個層、層間過孔以及器件之間的復雜互連。它在寬頻范圍內，不僅傳輸直流電源，同時也傳輸信號。

為了幫助我們理解電源完整性的重要性，我們不妨從三種主要類型的電源完整性問題入手。

電源電壓變化

外部交流電源或直流電源給電子系統供電。電源芯片將輸入電壓轉換為所需的系統直流電壓。但是，這種電源開關會引起瞬態電壓變化，由于電源網絡中電感的影響，導致供電電壓的峰值變化，這也被稱為電源噪聲或紋波。

引起電壓波動的另一個原因，是電流需求的快速變化。比如，晶體管從0狀態切換到1狀態（通常由時鐘信號觸發）是產生動態電流的最常見原因。設備PDN中的穩壓器模塊（VRM）無法立即對電流變化做出響應，這可能會導致電壓出現尖峰或下降（稱為電壓紋波）。舉個比較好的例子，當微處理器從閑置狀態轉變為繁重計算狀態，然后再返回閑置狀態時，就會導致明顯的電源波動。這種波動會同時影響PDN的電源和回流路徑。

電磁干擾（EMI）

電源或接地電壓的任何變化都會產生電磁波，從而干擾周圍電路。同樣地，高頻數字電路或AC電路產生的信號也會干擾電源。這種串擾（即電磁耦合）會直接影響信號完整性。如果串擾在設計階段早期并沒有被工程師發現和消除，則其可能會出現在后續所需的電磁兼容性（EMC）測試中；如果在該測試中仍未被捕獲，則串擾將會在器件運行過程中導致信號完整性問題。

功率損耗

電源電路中的導電性不足會導致PDN中的壓降。當電流遇到電阻時，會由于熱量的產生而損耗功率。這就是為什么PCB和IC封裝設計中，必須確保電源層、電源過孔以及回流路徑具有低阻。

克服各種電源完整性問題，是當今高速設計的關鍵，而這些設計支撐著現代社會中高性能電子系統的運行。如果沒有適當的電源完整性，產品可能過熱或出現信號完整性問題，從而導致性能不佳、甚至組件故障。

電源完整性的關鍵因素是什么？

電子系統中的PDN，主要是由PCB或IC封裝中的導電路徑和電源器件組成。PDN不僅包含電源傳輸路徑還包含低阻抗的返回路徑。希望了解電源完整性的工程師，應當考慮以下PDN性能的關鍵因素：

電源軌

將特定電壓分配到電路元件的導電路徑被稱為電源軌（Power Rail）。在PCB設計中，這是指將電源分配到電路板上的不同層，然后再返回到地的導電路徑。“rail（軌道）”一詞，來自于早期的模擬電氣設計，其中電源是實際的導電金屬軌道。

電源層

PCB，包括柔性PCB，由導電材料或絕緣材料的交替材料層組成。垂直的空心導電柱被稱為過孔，可連接層疊中的不同導電層。負責為信號處理層提供電源的層被稱為電源層。由于層厚度是固定的，電源層上的導電材料的載流能力由導電走線的寬度決定。如果走線不夠寬，局部電阻會因焦耳加熱而產生功率損耗。

回流路徑和接地平面

電流必須從信號電路返回到電源，才能形成整個電源電路閉環。返回路徑是PDN的一部分，它使電流能夠從負載流回地。在PCB中，構成回流路徑的層被稱為接地平面。

互連

互連是電子系統不同部分之間的連接器件，包括PCB、BGA或引腳等多種形式。由于互連在器件之間傳輸信號和電源，因此很容易受到電源完整性問題的影響。

地彈

地彈是接地電壓暫時從其預期的恒定值“反彈”的現象。在信號電路中，電壓的快速變化會引起電流波動，進而產生EMI，這會在接地平面中產生不必要的電流，從而導致地彈。此外，PCB走線和過孔中的寄生電容在開關過程中儲存和釋放電荷，也會導致地彈現象的發生。

抖動

抖動是指數字信號中由于PDN噪聲、信號和電源電路的EMI、時序問題和器件參數變化等因素引起的偏移。抖動是導致信號完整性問題的主要原因之一，因此減少抖動是電路板設計中的重要一環。為了實現電源完整性，工程師通過降低電源和接地電壓的可變性以及減少電源和信號電路之間的電感耦合來最大限度地減少抖動。

寄生損耗

這是指電路中由于能量傳遞導致的功率損耗，這部分能量損耗對電路的功能或輸出都沒有貢獻。在電源完整性方面，這包括由電容、電感和電阻效應引起的功率損耗。寄生損耗不僅會降低電路效率，還會導致不必要的熱量，進而影響性能和系統穩健性。除了電源完整性之外，寄生損耗還會影響信號完整性。

焦耳熱

當電流遇到材料中的電阻時，一些電能會被轉換為熱能。這一過程被稱為焦耳熱效應，以物理學家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的名字命名。產生的熱能大小與材料的電阻和電流的數學平方成正比。

PDN阻抗

PDN阻抗是由于電阻、電感和電容導致的PDN中的電流流動的阻礙。電源完整性設計的最終目標是將PDN阻抗保持低于系統的目標阻抗。目標阻抗與頻率相關，而且變化范圍很大，從直流時的小于1 mΩ，到10 GHz頻率下的低于100 mΩ。PCB的布局會影響PDN阻抗、電流路徑的電感、以及電源層和信號層走線之間的電容。此外，去耦電容器也會影響阻抗。PDN阻抗在不同頻率范圍內會發生顯著變化。

去耦電容器

去耦電容器，是在穩壓器模塊（VRM）響應不夠快時提供電流的分立器件。因為PDN阻抗會隨著頻率而變化，所以設計人員在PDN中放置多個去耦電容器，以在頻率范圍內保持低阻抗。

如何測量和分析電源完整性？

在設計了電源分配網絡后，工程師必須測量和分析電源和接地側隨時間變化的電壓和溫度。這可以通過仿真軟件實現，使用諸如數字電壓表或示波器等物理分析工具來完成。無論采用哪種方法，其目標都是識別電源完整性問題的原因：抖動、EMI和焦耳熱效應。

對于熱問題，工程師會檢查熱成像攝像頭拍攝的系統熱圖和仿真的溫度等值線圖。抖動、EMI及其對信號完整性的影響，可通過電源和接地電路中各點隨時間變化的電壓以及信號電路中的眼圖來測量和分析。

使用仿真測量和分析電源完整性

當PCB或IC封裝設計完成后，技術團隊應開始使用數字模型來評估電源完整性。由于這非常依賴于幾何結構，比較好的做法是，先開展PDN的電熱設計仿真。首先，團隊成員應對仿真系統最高功率需求的運行情況，并計算電源和地平面上的壓降。

涉及不同變量的多個多物理場仿真在傳熱建模中可能是必要的。工程師必須確保其熱仿真采用能夠代表最壞工作條件的真實環境參數。根據仿真結果，工程師可以更改電源和接地電路的幾何結構，添加或移動熱過孔，并應用電子熱管理最佳實踐來傳遞和控制熱量。

與Ansys SIwave軟件結合使用時，Ansys Icepak軟件是此類分析的有效工具。它可以直接從ECAD軟件讀取幾何結構，并開展電流和功耗仿真。然后，熱流數據可傳輸到Icepak軟件，以用于計算和更新電磁模型中的溫度。

在選擇了功率損耗設計后，下一步應該是電磁干擾仿真與PDN噪聲耦合分析。工程師通過在多個工作條件下求解EMI，可以同時測量信號完整性和電源完整性。像SIwave軟件這樣的綜合工具，使您能夠在開展電容和電感耦合仿真時使用相同的功率損耗模型。

首先，工程師必須測量PDN阻抗并微調設計，直至其達到目標阻抗。這些迭代可能包括在電路走線之間引入間距，修改電源或接地平面幾何結構，移動或添加過孔，或引入電容器以減少串擾。

大多數電子系統都包含了PCB和集成電路。正因如此，工程師需要一套強大的工具來計算芯片級電源完整性，例如用于模擬和混合信號IC的Ansys Totem平臺或用于數字和3D-IC的Ansys RedHawk-SC平臺。

在虛擬測量和分析中，最重要的部分是確保仿真能夠考慮所有實際工作條件和使用場景，以確保能夠識別和解決所有潛在的電源完整性問題。

電源完整性的測量和分析

即使在經過廣泛的仿真和電源完整性簽核后，大多數設計流程仍然需要物理測試。測試臺上所需的測量和分析與仿真中使用的測量和分析類似。工程師或技術人員將探針放置在PCB上的關鍵位置，來測量隨時間變化的電壓值。然后，示波器可以使用這些數據生成眼圖，以比較輸入和輸出信號。

此外，使用熱成像攝像頭或熱電偶來監控隨時間變化的溫度，也是物理測試中的必要部分。與數字環境中一樣，器件應能夠適用于許多不同的環境條件和使用場景，以確保可靠的性能。