电源完整性设计与测试

电源完整性设计

电源完整性是指电源波形的质量，研究的是电源分配网络(PDN)。并从系统供电网络综合考虑，消除 / 降低噪声对电源的影响。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在运行的范围内，为芯片提供干净稳定的电压，并使它能够维持在一个很小的容差范围内(通常为 5% 以内)，实时响应负载对电流的快速变化，并能够为其他信号提供低阻抗的回流路径。

电源噪声的主要来源：

供电模块(VRM，包括 LDO/DC-DC)的输出噪声

走线的直流电阻与寄生电感

同步开关噪声(SSN)

电源与地平面谐振噪声

临近电源网络耦合噪声

其他部件耦合噪声

大量的芯片引脚在进行逻辑状态切换时，会有一个大的瞬态电流流过回路，造成地平面的波动，会造成芯片的地与系统地不一致，称为地弹;造成芯片和系统的电源有差压，称为电源弹。在进行 PCB 叠层设计时，尽可能增大电源平面叠层之间的垂直距离，减少电源平面和地平面之间的垂直间距。

电源完整性设计策略

关注过孔、走线和电源平面的通流能力;当在一个平面上布置多个电源时，需要进行电源平面的分割，分割方式要简洁合理，分割区域的大小要满足载流能力的要求;

尽可能使电源平面与地平面成对相邻出现，且尽可能接近;

关注去耦电容的设计，电容的去耦作用是有一定的距离要求的，即去耦半径。电容焊盘的扇出方式推荐采用多过孔的方式。

关注同步开关噪声(SSN，地弹和电源弹)的影响，可增加去耦电容;在满足系统整体性能需求前提下，尽可能使用平缓的驱动信号(减缓驱动器的上升沿和下降沿时间)

电源完整性的测试项目

电压值(精度)

测试仪器：万用表

测试方法：分别在测试空载 / 满载下测试

测试点：电源芯片输出管脚、用电芯片的电源管脚

合格标准：一般在标称电压值 ±5% 范围内(根据芯片的电压要求来确定)

电源噪声 / 纹波

定义

纹波：出现在输出端子间的一种与输入频率和开关频率同步的成分，用有效值表示，一般在输出电压的 0.5% 以下

噪声：出现在输出端子间的纹波以外的一种高频成分，也用峰 - 峰(peak to peak)值表示，一般在输出电压的 1% 以下

纹波噪声：两者合成，用峰 - 峰(peak to peak)值表示，要求一般在输出电压的 2% 以下

测试仪器：示波器

测试方法

分别在测试空载 / 满载下测试

纹波：采用地线环靠接测量法(靠接测量)，示波器设置带宽(bandwidth)为 20MHz，直流偏置电压(offset)为上面电压精度测量值。

纹波噪声：把示波器带宽设置成全带宽(Full)

测试点：输出电容两端

合格标准：

一般要求纹波 < 输出电压的 1%(在 20MHz 带宽下测试，结果可视为单纯的纹波)

一般要求纹波噪声 < 输出电压的 2%(在全带宽下测试，结果可视为纹波 + 噪声)

注意事项

测试时注意就近原则，保持地环线最短

测试使用无源探头

测试纹波时记录其频率，以便分析

电压上下电波形

测试仪器：示波器

测试方法：示波器设置为上升 / 下降沿触发，开关电源观察上下电波形，能完整显示出来以看出问题

测试点：电源芯片的输出管脚、系统上的电源线

合格标准

电源输出端电压上下电过冲一般要求不超过被测电压的 10%。在芯片前端测试时，可参考电平通用标准

电源上电时电压不得有很大的跌落，下电时不能有很大的反冲和回勾(跌落和反冲不能跨越芯片启动工作电压)，如出现台阶现象需要评估影响。

如果出现负电压，就需要结合实际情况讨论

注意芯片的上下电时序要求

注意事项：需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况

缓启动电路参数

测试仪器：示波器

测试方法：使用多通道测试，上电观察时间差

测试点：一路在缓启动之前的电路，一路在缓启动之后

合格标准

延迟时间(T_{delay}Tdelay)：一般要求其范围 20 ～ 200ms

上升时间(T_{rise}Trise，输出电压从 10% 上升到 90% 的时间)：要求其范围越小越好，但同时要求冲击电流满足合格标准

没有多次振荡现象

注意事项：需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况

电源电流和冲击电流

测试仪器：示波器

测试方法：

电源电流：使用电流探头，观察电源上电电流波形和上电后电流的平稳波形

冲击电流：同上。上电冲击电流最好在冷机时测试(冲击电流最大);下电冲击电流最好在单板满载时进行

测试点：将电流探头卡在被测试电流通路上

合格标准

电源电流稳定值不能超过 90% 最大额定输出电流

冲击电流值不能超过额定输出电流的 5 倍(3 倍以上应引起注意)

任何情况下的电流一定要大于电源的最小负载，且须满足最大容性负载要求

注意事项

需要遍历系统上下电、单板插拔、电源板插拔的情况

测试冲击电流，需要取下感性元件如电感，因为感性器件本身具有抑制冲击电流的作用。

电源告警信号

测试方法：使系统产生告警条件，测试告警信号的电平大小

测试点：告警信号的接收末端

合格标准：参考电源芯片的规格书

冗余电源的均流参数

测试方法：用测试电源输出电流的方法，测试冗余电源的每路电流的输出值，比较每路输出电流的大小

测试点：冗余电源的每路电流输出链路

合格标准：系统电源、其冗余电源(均流)的各路电流输出值相差 10% 以下