IC电源完整性问题形成原因分析(上)

引言

在电路系统设计这一极具专业性的工作中，电源稳定性无疑是维系整个系统可靠运行的核心要素，其重要性堪比稳固基石之于宏伟建筑，是保障系统正常运作的根本前提。而在实际运行过程中，IC 工作时所产生的噪声，犹如潜伏在精密电路体系中的隐患因子，尽管从表象上看似乎影响甚微，然而在特定条件下，却极有可能对 IC 的性能表现与运行稳定性产生深远且负面的影响。

长期以来，电源完整性问题一直是困扰众多工程师的技术难题。在大量实际工程项目中，即便工程师们积累了丰富的实践经验，却依然难以精准定位该类问题的根源所在。究竟是哪些具体因素导致了电源完整性问题的出现？在本文中，我们将依托严谨的理论分析与详实的仿真数据，深入剖析电源完整性问题背后的深层次原因。

IC内核电路

在探究电源完整性问题根源的过程中，IC 内核电路作为芯片运行的基础部分，其工作状态对电源稳定性有着关键影响。下面我们先从 IC 内核电路的结构、特性及相关原理展开分析。

电路结构

对于一个驱动器一个接收器的简单晶体管电路所示。包含PDN(电源分配网络)、驱动器与接收器。

图中各符号说明：

• ：为PDN的电感；

• 驱动器晶体管2向接收器晶体管1传输信号；

• ：为晶体管或mos管的输入电容。

电路简化

在上述电路中重点考虑PDN阻抗（忽略PDN的电阻）和晶体管导通时存在的电阻。进行抽象建模得到可以分析的电路原理图。

其中：

• ：为PDN中电感；

• ：为晶体管导通电阻；

• ：为接收电路需要充电时的输入电容。

晶体管电路延时主要由 决定，通常 时间常数远小于 时间常数，即:

故其对电路影响微弱可简化分析，采用另一电路进行等价分析。

公式推导

我们需要求解PDN电源上的噪声，即“”的压降。相关符号说明：

• ：芯片的供电电压；

• ：信号上升时间。

IC接口电路

通过对 IC 内核电路的分析，我们了解到其对 PDN 电压的影响机制。然而，IC 的运行不仅依赖于内核电路，接口电路作为连接芯片与外部传输线的关键部分，同样会对电源完整性产生不容忽视的作用。接下来，我们深入探讨 IC 接口电路的相关情况。

电路结构

接口电路与内核电路不同，接口电路驱动PCB上的传输线。接口驱动电路图所示。

图中各符号说明：

• ：VRM提供的直流电源；

• ：为PDN的电感；

• ：表示传输线的特性阻抗；

• ：表示传输线的传输时延。

电路简化

假设传输线终端端接阻抗，且阻抗匹配，对上述电路进行抽象建模，得到可以分析的电路原理图。

图中：

• ：VRM提供的直流电源；

• ：PDN的电感；

• ：驱动器内阻；

• ：传输线的特性阻抗；

• ：传输线的传输时延。

公式推导

结束

综上所述，我们分别从 IC 内核电路和接口电路的角度，借助电路模型图、原理图和公式推导，剖析了它们对 PDN 电压的影响。这些理论分析为我们理解电源完整性问题提供了重要基础，但为了进一步验证理论的准确性和可靠性，下一篇文章将引入电路仿真技术展开深入验证。