一博科技 | “圍毆”電源開篇

edadoc2003

高速先生平臺好幾次的“民意”調查，電源話題的呼聲都是高居榜首。順應大家的要求，電源話題也就正式開篇了。有人說，上周不是已經發了一篇“電流充放電”的文章了嗎？呵呵，順序上的一點點小失誤，權當電源系列的暖場吧。

對我自己來說，這一年的工作有點小小的困惑，好像用于交流的時間多過用于技術研究的時間。當然，交流碰撞出來的火花，也會給技術帶來更多的思路。這不，在一次培訓中，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？

我當時想了想，做出了這樣的回答：

信號完整性就是解決發送1、接收就是1；而發送0，接收就是0的問題！

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

數字信號完整性問題

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

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

低速時代，數電就是數電，數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。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電的問題。也就是下圖我們見過無數遍的公式，由于0、1碼對應的載體，也就是“波形”其實是“模擬”的。進入這個階段之后，由于傳輸線的分布參數效應，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，來關心數字信號的過沖，下沖，反射，串擾，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電的問題。通常認為信號到了GHZ以上，由于導體的趨膚效應更加明顯，介質漏電效應開始突出，傳輸線的損耗變得不可忽視。同時數字信號的波長進一步減少，也來到傳統微波電磁場所關心的領域。于是這個階段研究數字信號的工具和方法，基本和微波射頻沒什么區別。

所以，考慮數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，數字就是數字，不需要過度設計。

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？當然各方面因素會很多，讓我來總結的話，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伏的電壓來說已經不能忽略不計了。并且路徑上損失的電壓最終也會轉成熱能，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，一般來說對應的△I也就可能越大，一定的電感下，感應出的△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，我認為是電流大小，電流小的時候，設計難度不大，當電流增大時，電源設計的問題變得越來越難。

而現在的數字電路設計，電流已經在變得越來越大。單軌道電流幾十安培甚至上百安培已經經常出現，電源完整性的話題也就被業內越來越重視。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，大體的規劃如下：