高速数位电路之电源完整性.PDF

高速數位電路之電源完整性 文/ 張存續 前言 易分析，然而所有的電路都跟它有關。本 文提出不同的思考方向，以優先確保電源 品質或完整性 最近幾年，訊號完整性(Signal Integrity)普遍受到大家的關注，在每個 ，目的是降低電源雜訊，提高操作範圍。 高速數位設計研討會上都可以看到它的身 影。然而，該如何將這些知識整合進入整 電源輸送系統的複雜性 個PCB設計研發的流程，大家卻有不同的 認知。如果在設計初期時導入，以目前的 隨著人類對高速資料處理與運算的需 主機板產業緊縮的生產流程，大都遵循中 求，電腦科技的進步一日千里。而電腦的 央處理器或晶片組廠商所制定的設計規 架構，除了IC晶片製程的尺度愈來愈小， 格，能發揮與變動的空間有限。然而，如 各元件彼此間的連結 果是設計後期的驗證，又往往陷入實驗量 度也愈來愈高，操作頻率更是愈來愈高， 測與模擬結果不匹配的痛苦深淵。由於影 相對地計時(timing)的掌握也必須愈精 響的實驗與模擬的參數太多，且整體產業 準。目前數位訊號的操作頻率雖然只有數 變化與進步的速度很快，目前高速PCB的 百個MHz，但是由於它的上升與下降時間 分析軟體都有其應用上的限制。因此掌握 很短(數百ps)，因此它的頻寬範圍往往到 最重要的影響因素與特性，將有助於我們 達數個GHz。也就是說，一個完整的數位 訊號，除了本身的頻率外，它的高次諧波 分析與設計。電源輸送系統(Power Deliv- ery System)一般被認為是相當複雜且不 分量也必須考量。這是一個寬頻帶的系 186 電子月刊第九卷第二期 統，同時也是一個高頻系統。而一個印刷 的事因為通常整個電源供應系統除了包含 電路板(PCB)，不論是封裝(package/電路(circuit)系統外，也包括了由電源面 substrate)或是主機板(mother-board)，它與接地面(power/ground planes)所形成的 的幾何結構與電路的共振頻率也差不多落 電磁場(EM field)系統。圖1是一個電源傳 在這一個範圍。不當的電源輸送系統設 輸系統示意圖。電源(Vcc)從電源供應器輸 計，將導致電源品質的惡化，甚至造成系 入後，經過via到達電源面與接地面，再 統無法正常操作。 通過其他的via接到 此外由於元件的密度愈來愈高，數量 上，最後再由電源島與接地島(power/ 愈來愈多，降低每個元件的消耗功率是當 務之急。因此低操作電壓與小振幅(swing) 是普遍的設計趨勢。然而操作電壓下降也 部。其中為了確保高頻的電力傳輸，我們 表示它愈容易受到雜訊的影響。這些雜訊 可以加旁路電容 來源很廣，可能來自於訊號的耦合或串擾 為了電源穩定，我們也可以加上去耦合電 (coupling/crosstalk)；或來自相鄰兩訊號 容(de-coupling capacitor)。這個電源供 的干擾(Inter-Symbol Interference,應系統的共振頻率已進入微波範圍，高頻 ISI)；或來自於電磁