电源完整性设计是现代电子系统设计中的一个关键组成部分，尤其是在高速数字电路和高性能模拟电路设计中，电源完整性的好坏直接影响到电路的性能和可靠性。在电源完整性设计中，电源系统的噪声来源是需要特别关注的问题，因为电源噪声会降低电路的性能，甚至可能破坏电路的功能。电源系统的噪声来源主要可以分为以下几个方面：
稳压电源芯片自身的输出并不是完全恒定的，存在一定的波纹。这主要是因为稳压芯片内部的开关元件、参考电压源、反馈网络等组成元件的特性限制，以及制造工艺和温度变化等因素的影响。尽管现代稳压芯片设计不断优化，以减少波纹，但任何稳压电源芯片都无法做到完全无波纹输出。波纹电压虽然数值可能很小，但是在某些精密电路中，即使是微小的电压波动也可能导致信号失真或其他问题。对于这一类型的噪声，设计师除了在选择稳压芯片时尽可能选择噪声更低的产品外，几乎无法进一步控制。
稳压电源在应对负载电流需求的快速变化时存在局限。在稳压电源的设计中，当负载电流发生变化时，稳压芯片通过内部反馈机制感知输出电压的变化，并调整其输出电流来维持输出电压的恒定。这种调整通常需要一定的时间，即稳定时间或瞬态响应时间。在负载电流变化频率较高时（例如直流到几百KHz），稳压电源可能无法迅速响应，造成电压输出的暂时波动，进而导致电源噪声。例如，微处理器内部的晶体管电平转换速度已经非常快，时钟频率超过600兆赫兹，而内部晶体管电平转换时间可能低至800皮秒。这意味着，电源分配系统需要在极宽的频率范围内快速响应电流变化，以确保电压的稳定性。当前的稳压芯片无法完全满足这一要求，因此设计中需要通过电源去耦和其他补偿技术来提高电源响应速度，从而减小噪声。
电源路径和地路径的阻抗会在负载瞬态电流变化时产生压降，进而导致电源噪声。在印刷电路板（PCB）上，无论是电源平面还是引线，都存在固有的阻抗。多层板设计中通常会包括一个完整的电源平面和地平面来降低阻抗，但在高频应用中，即使是低阻抗的平面也可能会对瞬态电流造成影响。此外，电源引脚和焊盘等都会引入寄生电感，当负载电流突然变化时，流经这些路径的电流会在寄生电感上产生额外的电压，导致负载芯片电源引脚处的电压随瞬态电流的变化而波动。这种电源噪声表现为电源路径上的电压轨道塌陷，以及地路径上的电位偏差。这种情况下，电源路径上的电压塌陷会降低电路的工作电压，而地路径上的电位偏差可能会引起参考地电位的变动，影响电路的稳定工作。
为了解决这些问题，电源完整性设计中通常会采用电源去耦技术。去耦是指在集成电路（IC）附近使用电容来消除或减少电流尖峰和电源噪声。去耦电容的作用是在负载电流迅速变化时，提供一个局部的能量源，以减少负载对电源系统的影响，从而降低电源噪声。在设计中，会依据负载电流变化的频率选择适当的去耦电容的大小和类型，以及它们在电路板上的布局位置，以实现最佳去耦效果。
总结来说，电源系统噪声的来源主要包括稳压芯片本身的波纹、稳压电源对负载电流快速变化的响应不足以及电源路径和地路径上的阻抗产生的压降。在设计中，除了仔细选择合适的稳压电源芯片之外，还需要考虑电源去耦的设计和布板策略，以确保电路的稳定运行和性能发挥。随着电路工作的频率和速度的不断提升，电源完整性设计的重要性越来越突出，相关的设计技术和策略也需要不断更新和发展，以适应高速电路设计的需要。
