高速PCB电源完整性设计与分析

10126101261012610126----30303030956059956059956059956059分类号TP273TP273TP273TP273密级UUUUDDDDCCCC编号论文题目研究生：苏良碧指导教师：周润景教授专业：控制工程研究方向：信号处理与智能系统学院：电子信息工程学院2020202011111111年5555月10101010日高速高速高速高速PCBPCBPCBPCB电源完整性设计与分析电源完整性设计与分析电源完整性设计与分析电源完整性设计与分析原创性声明本人声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下进行的研究工作及取得的研究成果。除本文已经注明引用的内容外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得内蒙古大学及其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：在学期间研究成果使用承诺书本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，即：内蒙古大学有权将学位论文的全部内容或部分保留并向国家有关机构、部门送交学位论文的复印件和磁盘，允许编入有关数据库进行检索，也可以采用影印、缩印或其他复制手段保存、汇编学位论文。为保护学院和导师的知识产权，作者在学期间取得的研究成果属于内蒙古大学。作者今后使用涉及在学期间主要研究内容或研究成果，须征得内蒙古大学就读期间导师的同意；若用于发表论文，版权单位必须署名为内蒙古大学方可投稿或公开发表。学位论文作者签名：指导教师签名：日期：日期：高速PCB电源完整性设计与分析摘要由于同步开关噪声所产生的噪声电流，电源完整性问题如今已成为制约整个高速数字系统性能的一个关键因素。元器件封装和电路板上的电源/地平面作为电源分配系统不可或缺的一部分，为这些噪声电流提供了耦合路径。因此一个经过良好设计的电源分配系统对于保证整个系统的性能和稳定性是及其重要的。为了保证能设计出一个良好的电源分配系统，对电源分配系统的精确快速分析以及对平面上噪声的优化都是非常重要的。而在电源分配系统上加入去耦电容是提高电源分配系统性能、保证系统电源完整性的一个主要、切实可行的方法。电源分配网络构成了高速数字系统最庞大最复杂的互连结构，约占全部互连空间的30%~40%。系统中所有的器件都直接或间接地连接到电源分配网络上，系统中器件数目成千上万，因此电源分配网络设计与电源完整性分析是数字系统设计中最为复杂的一环。电源分配网络设计是高速数字系统设计的核心，其直接影响到了电源完整性、信号完整性和电磁完整性等系统的性能。本论文着重研究高速数字系统的电源分配网络设计与电源完整性分析这一主题，并探讨了与之紧密联系的电源噪声抑制和电源配送网络元件的建模与分析，最终借助于Cadence电源完整性工具AllegroPCBPI完成了实际电源分配网络的设计。关键词：同步开关噪声，电源完整性，高速数字系统，电源分配网络，AllegroPCBPI，去耦电容DESIGNANDANALYSISOFPOWERINTEGRITYINHIGHSPEEDPCBABSTRACTBecauseofthenoisecurrentwhichgeneratedbySimultaneousSwitchingNoise(SSN),powerintegrity(PI)problemsnowhavebecameakeyfactortorestrictthewholehigh-speeddigitalsystem’sperformance.Power/groundplaneindevicepackageandPCBasanintegralpartofthepowerdistributionsystem(PDS),itprovidescouplingpathforthesenoisecurrent.SoawelldesignedPDSisextremelyimportanttoguaranteetheperformanceandstabilityofthewholesystem.InordertodesignawellPDS,accurateandfastanalysisofPDSandoptimizationofplanenoiseisveryimportant.WhileaddingdecouplingcapacitorinPDSisamajorandfeasiblemethodtoimprovePDS’sperformanceandensurethepowerintegrityofsystem.Powerdistributionnetwork(PDN)constitutedthelargestandmostcomplexinterconnection-layeredarchitectureofthehigh-speeddigitalsystem,itaccountsforabout30%~40%ofinterconnectspace.AllthedevicesinsystemareconnectedtoPDNdirectlyorindirectly,andtherearethousandsofdevicesinsystem,sothedesignofPDNandanalysisofpowerintegrityisthemostcomplexpartofdigitalsystemdesign.PDNdesignisthecoreofhigh-speeddigitalsystemdesign,itaffectsthepowerintegrity,signalintegrity,electromagneticintegrityandothersystemperformancedirectly.ThispaperisfocusedonresearchingofPDNdesignandanalysingofhighspeeddigitalsystem’spowerintegrity,andthendiscussingpowernoise’ssuppressionandPDNcomponents'modelingandanalysiswhichcloselycontactwithit.FinallyusingCadencePowerIntegritytoolsAllegroPCBPItocompleteaactualPDNdesign.KEYWORDS：SimultaneousSwitchingNoise，PowerIntegrity，HighSpeedDigitalSystem，PowerdistributionNetwork内蒙古大学硕士学位论文I目录第一章序言...........................................................................................................................................................11.1研究背景及意义...................................................................................................................................11.2国内外研究热点及动态......................................................................................................................41.3本文主要内容........................................................................................................................................5第二章电源分配网络与电源噪声..................................................................................................................62.1电源分配网络的组成..........................................................................................................................62.1.1电压调节模块...........................................................................................................................82.1.2去耦电容.....................................................................................................................................82.1.3PCB电源/地平面...................................................................................................................122.2电源噪声的产生................................................................................................................................142.2.1电源噪声的产生原因...........................................................................................................142.2.2电源噪声的影响....................................................................................................................152.3同步开关噪声分析............................................................................................................................172.3.1芯片内部开关噪声...............................................................................................................182.3.2芯片外部开关噪声...............................................................................................................202.3.3等效电感衡量SSN.................................................................................................................212.4频域目标阻抗法.