一博科技 | “圍毆”電源開篇

edadoc2003

高速先生平臺好幾次的“民意”調(diào)查，電源話題的呼聲都是高居榜首。順應(yīng)大家的要求，電源話題也就正式開篇了。有人說，上周不是已經(jīng)發(fā)了一篇“電流充放電”的文章了嗎？呵呵，順序上的一點(diǎn)點(diǎn)小失誤，權(quán)當(dāng)電源系列的暖場吧。

對我自己來說，這一年的工作有點(diǎn)小小的困惑，好像用于交流的時間多過用于技術(shù)研究的時間。當(dāng)然，交流碰撞出來的火花，也會給技術(shù)帶來更多的思路。這不，在一次培訓(xùn)中，就有朋友說，你怎么用一句話來說清楚什么是信號完整性和電源完整性呢？

我當(dāng)時想了想，做出了這樣的回答：

信號完整性就是解決發(fā)送1、接收就是1；而發(fā)送0，接收就是0的問題！

電源完整性呢，就是解決發(fā)出來1V（nV），到了用電端，還是1V（nV）的問題，頂多允許5%的誤差。

數(shù)字信號完整性問題

雖然是電源的開場白，我們還是總結(jié)下信號的完整性。經(jīng)常和我交流高速設(shè)計的朋友，都知道我有一個經(jīng)典的比喻，用大學(xué)里面的三門課來解釋什么是信號完整性：

《數(shù)電》《模電》《電磁場》，這三門課只要是電子相關(guān)專業(yè)，在大學(xué)的時候都會接觸。數(shù)電主要講0和1之間的邏輯關(guān)系，模電關(guān)心模擬信號的波形，電磁場從更高的維度來解釋電路工作的原理。

低速時代，數(shù)電就是數(shù)電，數(shù)字信號的好處就是通過“0”和“1”碼流傳遞信息，抗干擾能力強(qiáng)。工程師就不用考慮噪聲，專心解決電路功能和邏輯的問題。

高速的第一階段，從模電的角度來解釋數(shù)電的問題。也就是下圖我們見過無數(shù)遍的公式，由于0、1碼對應(yīng)的載體，也就是“波形”其實(shí)是“模擬”的。進(jìn)入這個階段之后，由于傳輸線的分布參數(shù)效應(yīng)，接收端收到的0、1碼由于“波形”的畸變，判斷出錯，所以工程師得從模電的角度，來關(guān)心數(shù)字信號的過沖，下沖，反射，串?dāng)_，振鈴等問題。

高速的第二階段，從微波電磁場的角度來解釋數(shù)電的問題。通常認(rèn)為信號到了GHZ以上，由于導(dǎo)體的趨膚效應(yīng)更加明顯，介質(zhì)漏電效應(yīng)開始突出，傳輸線的損耗變得不可忽視。同時數(shù)字信號的波長進(jìn)一步減少，也來到傳統(tǒng)微波電磁場所關(guān)心的領(lǐng)域。于是這個階段研究數(shù)字信號的工具和方法，基本和微波射頻沒什么區(qū)別。

所以，考慮數(shù)字信號完整性的最重要的一個前提就是信號的上升時間，當(dāng)然另一個說法就是信號的波長。只要上升時間或者說波長沒有到需要考慮信號完整性問題的時候，數(shù)字就是數(shù)字，不需要過度設(shè)計。

電源完整性問題

那么，考慮電源完整性問題最重要的前提是什么呢？當(dāng)然各方面因素會很多，讓我來總結(jié)的話，我會說是電流的大小。

電源從VRM傳到用電的IC，不管中間的路徑是走線，還是銅皮，或者是電纜，電阻是必然存在的物理量。我們假設(shè)傳輸1伏的電壓，路徑上有5毫歐的電阻，流過1安培電流，路徑上損耗的電壓就是5毫伏。對于1伏的電壓來說，5毫伏可以忽略不計。但是如果傳輸10安培電流呢，路徑上損耗的電壓就是50毫伏，這個對于1伏的電壓來說已經(jīng)不能忽略不計了。并且路徑上損失的電壓最終也會轉(zhuǎn)成熱能，帶來散熱的問題。這個也就是我們通常說的電源的直流問題，包含了壓降、載流、溫升、散熱等領(lǐng)域。

同樣的，電源從VRM傳到用電的IC，中間路徑不可避免會有電感存在。而IC端用電，電流也不是一個恒定值。變化的電流△I，在路徑上的電感就是感應(yīng)出△V，這也就是通常所說的電源噪聲。電流越大，一般來說對應(yīng)的△I也就可能越大，一定的電感下，感應(yīng)出的△V也就越大。這個也就是我們通常說的電源的交流問題，包含了噪聲、紋波等。

所以，影響電源完整性考慮的最大因素，我認(rèn)為是電流大小，電流小的時候，設(shè)計難度不大，當(dāng)電流增大時，電源設(shè)計的問題變得越來越難。

而現(xiàn)在的數(shù)字電路設(shè)計，電流已經(jīng)在變得越來越大。單軌道電流幾十安培甚至上百安培已經(jīng)經(jīng)常出現(xiàn)，電源完整性的話題也就被業(yè)內(nèi)越來越重視。高速先生會分兩個系列來“圍毆”電源問題，首先我們來討論電源的直流問題，大體的規(guī)劃如下：