什么是电源完整性？

电源完整性（PI）属于电子工程领域，专注于确保电子系统的电源输送网络（PDN）在整个系统中可以有效地提供稳定的电源。为了可以正常工作，印刷电路板（PCB）、集成电路（IC）和IC封装需要持续稳定的供电电压以及最小的电压波动。。同时，还不能干扰信号，并且最大限度地减少因发热而损耗的能量。因此，设计中需要满足电源完整性，从而提供可靠的信号完整性，使器件能够在可接受的温度范围内运行，并最大限度地降低功耗。

工程师使用各种软件工具和物理测试来评估、修改和改进电子系统中的电源输送网络（通常也称为电源分配网络）。

电源完整性与信号完整性密切相关，而工程师通常会对两者同时进行分析。随着电子系统变得更小、更复杂、电源要求更严格，以及频率越高，电源完整性的重要性和挑战也日益增加。

乍看起来，相比于电子电路设计其他领域的复杂性，提供可靠的电源似乎相对简单。只需将器件连接到电源，设置正确的电压，然后为信号提供电源供电即可。然而，现实情况要复杂得多。电子的移动会产生磁场，从而干扰其他电路或由于电阻而导致功率损耗。

这就是为什么工程师都会在设计流程中尽早分析电源完整性，以发现任何潜在问题。现代电子产品十分复杂，涉及多个组件、层和互连，因此提供适当的电压变化范围极具挑战。

现代电子产品是复杂的多组件装配体，包括多个层、层间过孔以及器件之间的复杂互连。它在宽频范围内，不仅传输直流电源，同时也传输信号。

为了帮助我们理解电源完整性的重要性，我们不妨从三种主要类型的电源完整性问题入手。

电源电压变化

外部交流电源或直流电源给电子系统供电。电源芯片将输入电压转换为所需的系统直流电压。但是，这种电源开关会引起瞬态电压变化，由于电源网络中电感的影响，导致供电电压的峰值变化，这也被称为电源噪声或纹波。

引起电压波动的另一个原因，是电流需求的快速变化。比如，晶体管从0状态切换到1状态（通常由时钟信号触发）是产生动态电流的最常见原因。设备PDN中的稳压器模块（VRM）无法立即对电流变化做出响应，这可能会导致电压出现尖峰或下降（称为电压纹波）。举个比较好的例子，当微处理器从闲置状态转变为繁重计算状态，然后再返回闲置状态时，就会导致明显的电源波动。这种波动会同时影响PDN的电源和回流路径。

电磁干扰（EMI）

电源或接地电压的任何变化都会产生电磁波，从而干扰周围电路。同样地，高频数字电路或AC电路产生的信号也会干扰电源。这种串扰（即电磁耦合）会直接影响信号完整性。如果串扰在设计阶段早期并没有被工程师发现和消除，则其可能会出现在后续所需的电磁兼容性（EMC）测试中；如果在该测试中仍未被捕获，则串扰将会在器件运行过程中导致信号完整性问题。

功率损耗

电源电路中的导电性不足会导致PDN中的压降。当电流遇到电阻时，会由于热量的产生而损耗功率。这就是为什么PCB和IC封装设计中，必须确保电源层、电源过孔以及回流路径具有低阻。

克服各种电源完整性问题，是当今高速设计的关键，而这些设计支撑着现代世界中高性能电子系统的运行。如果没有适当的电源完整性，产品可能过热或出现信号完整性问题，从而导致性能不佳、甚至组件故障。 

电子系统中的PDN，主要是由PCB或IC封装中的导电路径和电源器件组成。PDN不仅包电源传输路径还包含低阻抗的返回路径。希望理解电源完整性的工程师，应当考虑以下PDN性能的关键因素：

电源轨

将特定电压分配到电路元件的导电路径被称为电源轨（Power Rail）。在PCB设计中，这是指将电源分配到电路板上的不同层，然后再返回到地的导电路径。“rail（轨道）”一词，来自于早期的模拟电气设计，其中电源是实际的导电金属轨道。

电源层

PCB，包括柔性PCB，由导电材料或绝缘材料的交替材料层组成。垂直的空心导电柱被称为过孔，可连接层叠中的不同导电层。负责为信号处理层提供电源的层被称为电源层。由于层厚度是固定的，电源层上的导电材料的载流能力由导电走线的宽度决定。如果走线不够宽，局部电阻会因焦耳加热而产生功率损耗。

回流路径和接地平面

电流必须从信号电路返回到电源，才能形成整个电源电路闭环。返回路径是PDN的一部分，它使电流能够从负载流回地。在PCB中，构成回流路径的层被称为接地平面。

互连

互连是电子系统不同部分之间的连接器件，包括PCB、BGA或引脚等多种形式。由于互连在器件之间传输信号和电源，因此很容易受到电源完整性问题的影响。

地弹

地弹是接地电压暂时从其预期的恒定值“反弹”的现象。在信号电路中，电压的快速变化会引起电流波动，进而产生EMI，这会在接地平面中产生不必要的电流，从而导致地弹。此外，PCB走线和过孔中的寄生电容在开关过程中储存和释放电荷，也会导致地弹现象的发生。

抖动

抖动是指数字信号中由于PDN噪声、信号和电源电路的EMI、时序问题和器件参数变化等因素引起的偏移。抖动是导致信号完整性问题的主要原因之一，因此减少抖动是电路板设计中的重要一环。为了实现电源完整性，工程师通过降低电源和接地电压的可变性以及减少电源和信号电路之间的电感耦合来最大限度地减少抖动。

寄生损耗

这是指电路中由于能量传递导致的功率损耗，这部分能量损耗对电路的功能或输出都没有贡献。在电源完整性方面，这包括由电容、电感和电阻效应引起的功率损耗。寄生损耗不仅会降低电路效率，还会导致不必要的热量，进而影响性能和系统稳健性。除了电源完整性之外，寄生损耗还会影响信号完整性。

焦耳热

当电流遇到材料中的电阻时，一些电能会被转换为热能。这一过程被称为焦耳热效应，以物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的名字命名。产生的热能大小与材料的电阻和电流的数学平方成正比。

PDN阻抗

PDN阻抗是由于电阻、电感和电容导致的PDN中的电流流动的阻碍。电源完整性设计的最终目标是将PDN阻抗保持低于系统的目标阻抗。目标阻抗与频率相关，而且变化范围很大，从直流时的小于1 mΩ，到10 GHz频率下的低于100 mΩ。PCB的布局会影响PDN阻抗、电流路径的电感、以及电源层和信号层走线之间的电容。此外，去耦电容器也会影响阻抗。PDN阻抗在不同频率范围内会发生显著变化。

去耦电容器

去耦电容器，是在稳压器模块（VRM）响应不够快时提供电流的分立器件。因为PDN阻抗会随着频率而变化，所以设计人员在PDN中放置多个去耦电容器，以在频率范围内保持低阻抗。 

在设计了电源分配网络后，工程师必须测量和分析电源和接地侧随时间变化的电压和温度。这可以通过仿真软件实现，使用诸如数字电压表或示波器等物理分析工具来完成。无论采用哪种方法，其目标都是识别电源完整性问题的原因：抖动、EMI和焦耳热效应。 

在热成像摄像头（左）中捕获的以及在Ansys Icepak软件（右）中仿真的电源完整性问题引起的热量对比

对于热问题，工程师会检查热成像摄像头拍摄的系统热图和仿真的温度等值线图。抖动、EMI及其对信号完整性的影响，可通过电源和接地电路中各点随时间变化的电压以及信号电路中的眼图来测量和分析。

使用仿真测量和分析电源完整性

当PCB或IC封装设计完成后，技术团队应开始使用数字模型来评估电源完整性。由于这非常依赖于几何结构，比较好的做法是，先开展PDN的电热设计仿真。首先，团队成员应对仿真系统最高功率需求的运行情况，并计算电源和地平面上的压降。

涉及不同变量的多个多物理场仿真在传热建模中可能是必要的。工程师必须确保其热仿真采用能够代表最坏工作条件的真实环境参数。根据仿真结果，工程师可以更改电源和接地电路的几何结构，添加或移动热过孔，并应用电子热管理最佳实践来传递和控制热量。

与Ansys SIwave软件结合使用时，Ansys Icepak软件是此类分析的有效工具。它可以直接从ECAD软件读取几何结构，并开展电流和功耗仿真。然后，热流数据可传输到Icepak软件，以用于计算和更新电磁模型中的温度。 

在选择了功率损耗设计后，下一步应该是电磁干扰仿真与PDN噪声耦合分析。工程师通过在多个工作条件下求解EMI，可以同时测量信号完整性和电源完整性。像SIwave软件这样的综合工具，使您能够在开展电容和电感耦合仿真时使用相同的功率损耗模型。

首先，工程师必须测量PDN阻抗并微调设计，直至其达到目标阻抗。这些迭代可能包括在电路走线之间引入间距，修改电源或接地平面几何结构，移动或添加过孔，或引入电容器以减少串扰。

大多数电子系统都包含了PCB和集成电路。正因如此，工程师需要一套强大的工具来计算芯片级电源完整性，例如用于模拟和混合信号IC的Ansys Totem平台或用于数字和3D-IC的Ansys RedHawk-SC平台。

在虚拟测量和分析中，最重要的部分是确保仿真能够考虑所有实际工作条件和使用场景，以确保能够识别和解决所有潜在的电源完整性问题。

电源完整性的测量和分析

即使在经过广泛的仿真和电源完整性签核后，大多数设计流程仍然需要物理测试。测试台上所需的测量和分析与仿真中使用的测量和分析类似。工程师或技术人员将探针放置在PCB上的关键位置，来测量随时间变化的电压值。然后，示波器可以使用这些数据生成眼图，以比较输入和输出信号。

此外，使用热成像摄像头或热电偶来监控随时间变化的温度，也是物理测试中的必要部分。与数字环境中一样，器件应能够适用于许多不同的环境条件和使用场景，以确保可靠的性能。

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