电源完整性（PI）

什么是电源完整性？

电源完整性 (PI) 是电气工程领域中的一个重要领域，致力于确保电子系统的供电网络 (PDN) 能够高效地为整个系统提供稳定的电力。为了正常运行，印刷电路板 (PCB)、集成电路 (IC)和IC 封装需要以恒定的电压供电，并且电压随时间的变化极小。此外，电源还必须不干扰信号电路，并尽量减少因发热而造成的能量损失。设计中必须具备良好的电源完整性，才能提供可接受的信号完整性，使设备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力输送网络（也常称为配电网络）。

电源完整性与信号完整性密切相关，工程师通常会同时分析两者。随着电子系统变得越来越小、越来越复杂、对功率的要求越来越高以及频率越来越高，电源完整性的重要性和挑战也随之增加。

为什么电源完整性很重要？

乍一看，与其他复杂的电子电路设计领域相比，提供可靠的电源似乎相对简单。只需将设备连接到电源，设置正确的电压，然后提供电源轨为信号电路供电即可。然而，实际情况远比这复杂得多。电子的运动会产生磁场，这些磁场可能会干扰其他电路，或因电阻而导致功率损耗。

因此，工程师在设计过程中应尽早分析电源完整性，以发现任何潜在问题。由于现代电子产品涉及多个元件、多个层级和多个互连，其复杂性使得以最小的波动提供适当的电压范围极具挑战性。

但现代电子产品非常复杂，由多层元件组装而成，各层之间有通孔连接，元件之间互连错综复杂。这种结构既能传输直流电，也能传输各种频率的信号。

了解电源完整性重要性的一个好方法是查看三种主要类型的电源完整性问题。

电源电压变化

电子系统从外部交流或直流电源接收电力。然后，电子元件将输入电压转换为所需的系统直流电压。然而，这种电源转换可能会引入瞬态电压变化，并与 PDN 的电感发生反应，导致电压尖峰和变化，即噪声或电压纹波。

电压波动的另一个来源是电流需求的快速变化。晶体管通常根据时钟信号从静态电流切换到更高电压，这是导致动态电流的最常见原因。设备PDN中的稳压模块 (VRM) 无法立即响应电流变化，这可能导致电压飙升或下降（称为电压纹波）。一个很好的例子是微处理器从空闲状态切换到繁重的计算，然后又回到空闲状态，这会导致严重的功率波动。这种抖动会影响PDN的电源和回路。

电磁干扰（EMI）

电源或地电压的任何变化都会产生电磁波，从而将不必要的电流感应到周围的电路中。同样，高频数字或交流电路产生的信号也会将不必要的电流感应到电源电路中。这种串扰，或称电磁耦合，会直接影响信号完整性。如果工程师未能在设计阶段早期发现并消除这种串扰，则可能会在后续所需的电磁兼容性 (EMC) 测试中出现。如果未能及时发现，则会导致运行过程中出现信号完整性问题。

断电

电源电路导电性不足会导致 PDN 电压下降。当电流遇到电阻时，功率会以发热的形式损耗。因此，PCB 和 IC 封装设计必须确保电源层、电源过孔和返回路径配置具有低阻抗和低电阻。

克服这些以及其他电源完整性问题对于定义当今的高速设计至关重要，这些设计能够提供驱动现代世界的高性能电子系统。如果没有适当的电源完整性，产品可能会过热或出现信号完整性问题，从而导致性能下降甚至组件故障。 

电源完整性的关键因素是什么？

电子系统中的 PDN 由 PCB 布局或 IC 封装中的导电路径和元件配置组成。PDN 必须既能从电源传输电流，又能通过低阻抗返回路径返回电流。想要了解电源完整性的工程师应考虑以下 PDN 性能的关键因素：

电源轨

将特定电压分配给电路元件的导电路径称为电源轨。在 PCB 设计中，这指的是将电源分配到电路板不同层，然后返回地线的导电路径。“轨”一词源自早期的模拟电气设计，其中的电源是实际的导电金属轨。

电源层

PCB（包括柔性PCB）由交替的导电或绝缘材料层构成。垂直的空心导电柱（称为过孔）连接堆叠中的不同导电层。为信号处理层供电的层称为电源层。由于层厚固定，电源层上导电材料的载流能力由导电迹线的宽度决定。如果导电迹线不够宽，局部电阻会因焦耳热而造成功率损耗。

返回路径和接地平面

要完成电源电路，电流必须从信号电路返回电源。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，构成返回路径的层称为接地层。

互连

互连线是连接电子系统不同部分的连接组件。它们可以采用 PCB、球栅阵列或引脚的形式。由于互连线在组件之间传输信号和电源，因此容易受到电源完整性问题的影响。

地面反弹

地弹是指地电压暂时从其预期的恒定值“反弹”的现象。信号电路中电压快速变化引起的电流波动会产生电磁干扰 (EMI)，它会在接地层中感应出不必要的电流，从而导致地弹。PCB 走线和过孔中的寄生电容在开关过程中存储和释放电荷时，也会导致地弹。

抖动

抖动是指由 PDN 中的噪声、信号和电源电路的 EMI、时序问题以及元件差异引起的数字信号变化和尖峰。抖动是信号完整性问题的主要成因，因此降低抖动是电路板设计的重要组成部分。为了实现电源完整性，工程师通过降低电源和地电压的波动性以及减少电源和信号电路之间的电感耦合来最大程度地降低抖动。

寄生损失

寄生损耗是指电路中由于能量传输而产生的任何功率损耗，这些损耗对电路的功能或输出没有影响。在电源完整性方面，这包括电容、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，还会产生不必要的热量，从而影响性能和物理稳定性。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

当电流在材料中遇到电阻时，部分电能会转化为热能。这个过程被称为焦耳加热，以物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的名字命名。产生的热能与材料电阻和电流的平方成正比。

PDN阻抗

PDN阻抗是指由于电阻、电感和电容对PDN中电流流动的阻碍。电源完整性设计的最终目标是保持PDN阻抗低于系统的目标阻抗。目标阻抗与频率相关，并且变化很大，从直流时的不到1 mΩ到10 GHz时的100 mΩ以下。PCB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。去耦电容也会影响阻抗。PDN阻抗在不同频率范围内可能会有显著差异。

去耦电容

去耦电容是分立元件，当电压调节器模块 (VRM) 无法足够快速地响应时，它们会提供电流。由于 PDN 阻抗会随频率范围而变化，因此设计人员会在 PDN 中放置多个去耦电容，以在整个频率范围内保持低阻抗。 

如何测量和分析电源完整性？

工程师设计好配电网络后，必须测量并分析电源侧和地侧的电压和温度随时间的变化。这可以通过仿真软件，结合数字电压表或示波器等物理分析工具进行虚拟完成。无论采用哪种方法，目标都是找出电源完整性问题的根源：抖动、EMI 和焦耳热。

并排比较使用热像仪捕获的电源完整性问题引起的热量（左）和使用 Ansys Icepak 软件模拟的热量（右）

对于热问题，工程师会检查热像仪拍摄的系统热图和模拟的温度轮廓。抖动、EMI 及其对信号完整性的影响会被测量和分析，并以电源和接地电路中各点电压随时间变化的形式呈现，并以信号电路中的眼图形式呈现。