PCB设计：谈谈电源完整性仿真的必要性.docx
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2019-09-05
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PCB 设计：谈谈电源完整性仿真的必要性
电源完整性的概念
电源完整性（PI，Power Integrity)就是为板级系统提供一个稳定可靠的电源分配系统
（PDS）。实质上是要使系统在工作时，电源、地噪声得到有效的控制，在一个很宽的频
带范围内为芯片提供充足的能量，并充分抑制芯片工作时所引起的电压波动、辐射及串扰。
本文将主要谈谈电源完整性仿真的必要性。
随着超大规模集成电路工艺的发展，芯片工作电压越来越低，而工作速度越来越快，
功耗越来越大，单板的密度也越来越高，因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性
提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能，如整机可靠性，信噪
比与误码率，及 EMI/EMC 等重要指标。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声 SSN 过大
会带来严重的电源完整性问题，这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。PI 设计
就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求，确
保板级电源质量符合器件及产品要求，确保信号质量及器件、产品稳定工作。
电源完整性 PI 与信号完整性 SI 的相互影响：从整个仿真领域来看，刚开始大家都把
注意力放在信号完整性上，但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。
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；同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击，进而影响电
源的完整性设计。所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。设计工程
师在掌握了信号完整性设计方法之后，充实电源完整性设计知识显得很有必要。
电源完整性研究的内容：电源完整性仿真的内容很多，但主要的几个方面如下：
1：板级电源通道阻抗仿真分析，在充分利用平面电容的基础上，通过仿真分析确定
旁路电容的数量、种类、位置等，以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。
2：板级直流压降仿真分析，确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。
3：板级谐振分析，避免板级谐振对电源质量及 EMI 的致命影响等。
电源分配系统（PDS）：上图是一张经典的电源分配系统特性 图，相信大家都比较熟
悉。从这个图里面，我们可以将整个电源频段分成几部分。在低频段，电源噪声主要靠电
源转换芯片 VRM 来滤波。在几 MHZ 到几百 MHZ 的频段，电源噪声主要是由板级分立电
容和 PCB 的电源地平面对来滤波。在高频部分，电源噪声主要是由 PCB 的电源地平面对
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