siwave在单板PI设计中的应用

鬼谷清泉

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在电路设计中，一般我们只关心信号的质量问题，加上仿真分析软件的局限性，往往局限在信号线上进行SI仿真研究，而把电源和地当成理想的也就是一个完整的参考平面来进行仿真计算的。在速度不高的情况下这样简化分析的误差可能不是很大，但在高速设计中，这种严重脱离了PCB的实际情况的简化分析，会使仿真出来的数据与实际相差甚远。PI即电源完整性的提出，正是源于当不考虑电源的影响下基于布线和器件模型而进行SI分析时所带来的巨大误差。 随着信号传输速度的增加以及设计的愈加复杂性，多种电源和多种地需要同时使用，再加上各种过孔和插件元器件的影响，使完整的地电层没有可能存在，使得地电平面被分割而成为有缺陷的平面，由此可能会产生感应噪声。当这种噪声大到一定程度时，会影响集成电路的功能和性能。这种噪声是指Delta-I、地弹或瞬态开关噪声。大量器件同时开关所需要的瞬时电流会引起电源和地平面上的电压波动，我们称之为SSN，或者Delta-I噪声或者电源/地弹（Ground bounce）。由于电源/地系统提供的非理想回流路径，SSN将减慢信号传输速度。

电源完整性同样直接影响最终PCB板的信号完整性。电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路，直接决定回流路径，从而影响信号的完整性；电源完整性和信号完整性二者是密切关联的，而且很多情况下，影响信号畸变的主要原因是电源系统。例如，地反弹噪声太大、去耦电容的设计不合适、回路影响很严重、多电源/地平面的分割不好、地层设计不合理、电流不均匀等等。良好的地电平面设计正是电源完整性设计所涉及的内容，通常通过设计合适的电源目标阻抗来实现。将芯片工作电源、地作为一个端口，如果该电源目标阻抗越小，则从噪声源耦合到电源分配系统的噪声也就越小。所以通过调整PCB叠层，电源、地的合理分割、去耦电容容量的选取以及位置的摆放等等措施来调整目标阻抗，使电源的波动在正常的工作范围内，从而达到电源完整性的要求。

低的电源、地噪声也直接影响到对EMI的控制。根据FCC标准，在1GHz的频段范围内，要求整机的辐射发射和传导发射不得超过标准值。EMI在很大程度上和电源、地设计有关，因为电源完整性问题就其根本原理而言就是一个较为复杂的电路与电磁场相互影响的问题。通过电源完整性设计来降低电源及电地平面引起的EMI辐射，也是降低整板EMI辐射的一个手段。