為什么要重視電源噪聲問題？電源噪聲產(chǎn)生的因素有哪些？

在電源管理設(shè)計中，是否應(yīng)該重視電源噪聲問題，電源噪聲產(chǎn)生的原因是什么?

1.為什么要重視電源噪聲問題

芯片內(nèi)部有成千上萬個晶體管，這些晶體管組成內(nèi)部的門電路、組合邏輯、寄存器、計數(shù)器、延遲線、狀態(tài)機(jī)、以及其他邏輯功能。隨著芯片的集成度越來越高，內(nèi)部晶體管數(shù)量越來越大。芯片的外部引腳數(shù)量有限，為每一個晶體管提供單獨(dú)的供電引腳是不現(xiàn)實(shí)的。芯片的外部電源引腳提供給內(nèi)部晶體管一個公共的供電節(jié)點(diǎn)，因此內(nèi)部晶體管狀態(tài)的轉(zhuǎn)換必然引起電源噪聲在芯片內(nèi)部的傳遞。

對內(nèi)部各個晶體管的操作通常由內(nèi)核時鐘或片內(nèi)外設(shè)時鐘同步，但是由于內(nèi)部延時的差別，各個晶體管的狀態(tài)轉(zhuǎn)換不可能是嚴(yán)格同步的，當(dāng)某些晶體管已經(jīng)完成了狀態(tài)轉(zhuǎn)換，另一些晶體管可能仍處于轉(zhuǎn)換過程中。芯片內(nèi)部處于高電平的門電路會把電源噪聲傳遞到其他門電路的輸入部分。如果接受電源噪聲的門電路此時處于電平轉(zhuǎn)換的不定態(tài)區(qū)域，那么電源噪聲可能會被放大，并在門電路的輸出端產(chǎn)生矩形脈沖干擾，進(jìn)而引起電路的邏輯錯誤。芯片外部電源引腳處的噪聲通過內(nèi)部門電路的傳播，還可能會觸發(fā)內(nèi)部寄存器產(chǎn)生狀態(tài)轉(zhuǎn)換。

除了對芯片本身工作狀態(tài)產(chǎn)生影響外，電源噪聲還會對其他部分產(chǎn)生影響。比如電源噪聲會影響晶振、PLL、DLL 的抖動特性，AD 轉(zhuǎn)換電路的轉(zhuǎn)換精度等。解釋這些問題需要非常長的篇幅，本文不做進(jìn)一步介紹，我會在后續(xù)文章中詳細(xì)講解。

由于最終產(chǎn)品工作溫度的變化以及生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的不一致性，如果是由于電源系統(tǒng)產(chǎn)生的問題，電路將非常難調(diào)試，因此最好在電路設(shè)計之初就遵循某種成熟的設(shè)計規(guī)則，使電源系統(tǒng)更加穩(wěn)健。

2. 電源系統(tǒng)噪聲余量分析

絕大多數(shù)芯片都會給出一個正常工作的電壓范圍，這個值通常是±5%。例如：對于 3.3V 電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在 3.13V 到 3.47V 之間，或 3.3V±165mV。對于 1.2V 電壓，為滿足芯片正常工作，供電電壓在 1.14V 到 1.26V 之間，或 1.2V±60mV。這些限制可以在芯片 datasheet 中的 recommended operating conditions 部分查到。這些限制要考慮兩個部分，第一是穩(wěn)壓芯片的直流輸出誤差，第二是電源噪聲的峰值幅度。老式的穩(wěn)壓芯片的輸出電壓精度通常是±2.5%，因此電源噪聲的峰值幅度不應(yīng)超過±2.5%。當(dāng)然隨著芯片工藝的提高，現(xiàn)代的穩(wěn)壓芯片直流精度更高，可能會達(dá)到±1%以下，TI 公司的開關(guān)電源芯片 TPS54310 精度可達(dá)±1%，線性穩(wěn)壓源 AMS1117 可達(dá)±0.2%。但是要記住，達(dá)到這樣的精度是有條件的，包括負(fù)載情況，工作溫度等限制。因此可靠的設(shè)計還是以±2.5%這個值更把握些。如果你能確保所用的芯片安裝到電路板上后能達(dá)到更高的穩(wěn)壓精度，那么你可以為你的這款設(shè)計單獨(dú)進(jìn)行噪聲余量計算。本文著重電源部分設(shè)計的原理說明，電源噪聲余量將使用±2.5%這個值。

電源噪聲余量計算非常簡單，方法如下：

比如芯片正常工作電壓范圍為 3.13V 到 3.47V 之間，穩(wěn)壓芯片標(biāo)稱輸出 3.3V。安裝到電路板上后，穩(wěn)壓芯片輸出 3.36V。那么容許電壓變化范圍為 3.47-3.36=0.11V=110mV。穩(wěn)壓芯片輸出精度±1%，即±3.363*1%=±33.6 mV。電源噪聲余量為 110-33.6=76.4 mV。

計算很簡單，但是要注意四個問題：

第一，穩(wěn)壓芯片輸出電壓能精確的定在 3.3V 么?外圍器件如電阻電容電感的參數(shù)也不是精確的，這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓有影響，所以這里用了 3.36V 這個值。在安裝到電路板上之前，你不可能預(yù)測到準(zhǔn)確的輸出電壓值。

第二，工作環(huán)境是否符合穩(wěn)壓芯片手冊上的推薦環(huán)境?器件老化后參數(shù)還會和芯片手冊上的一致么?

第三，負(fù)載情況怎樣?這對穩(wěn)壓芯片的輸出電壓也有影響。

第四，電源噪聲最終會影響到信號質(zhì)量。而信號上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲，反射串?dāng)_等信號完整性問題也會在信號上疊加噪聲，不能把所有噪聲余量都分配給電源系統(tǒng)。所以，在設(shè)計電源噪聲余量的時候要留有余地。

另一個重要問題是：不同電壓等級，對電源噪聲余量要求不一樣，按±2.5%計算的話，1.2V 電壓等級的噪聲余量只有 30mV。這是一個很苛刻的限制，設(shè)計的時候要謹(jǐn)慎些。模擬電路對電源的要求更高。電源噪聲影響時鐘系統(tǒng)，可能會引起時序匹配問題。因此必須重視電源噪聲問題。

3. 電源系統(tǒng)的噪聲來源有三個方面：

第一，穩(wěn)壓電源芯片本身的輸出并不是恒定的，會有一定的波紋。這是由穩(wěn)壓芯片自身決定的，一旦選好了穩(wěn)壓電源芯片，對這部分噪聲我們只能接受，無法控制。

第二，穩(wěn)壓電源無法實(shí)時響應(yīng)負(fù)載對于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源芯片通過感知其輸出電壓的變化，調(diào)整其輸出電流，從而把輸出電壓調(diào)整回額定輸出值。多數(shù)常用的穩(wěn)壓源調(diào)整電壓的時間在毫秒到微秒量級。因此，對于負(fù)載電流變化頻率在直流到幾百 KHz 之間時，穩(wěn)壓源可以很好的做出調(diào)整，保持輸出電壓的穩(wěn)定。當(dāng)負(fù)載瞬態(tài)電流變化頻率超出這一范圍時，穩(wěn)壓源的電壓輸出會出現(xiàn)跌落，從而產(chǎn)生電源噪聲。現(xiàn)在，微處理器的內(nèi)核及外設(shè)的時鐘頻率已經(jīng)超過了 600 兆赫茲，內(nèi)部晶體管電平轉(zhuǎn)換時間下降到 800 皮秒以下。這要求電源分配系統(tǒng)必須在直流到 1GHz 范圍內(nèi)都能快速響應(yīng)負(fù)載電流的變化，但現(xiàn)有穩(wěn)壓電源芯片不可能滿足這一苛刻要求。我們只能用其他方法補(bǔ)償穩(wěn)壓源這一不足，這涉及到后面要講的電源去耦。

第三，負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗上產(chǎn)生的壓降。PCB 板上任何電氣路徑不可避免的會存在阻抗，不論是完整的電源平面還是電源引線。對于多層板，通常提供一個完整的電源平面和地平面，穩(wěn)壓電源輸出首先接入電源平面，供電電流流經(jīng)電源平面，到達(dá)負(fù)載電源引腳。地路徑和電源路徑類似，只不過電流路徑變成了地平面。完整平面的阻抗很低，但確實(shí)存在。如果不使用平面而使用引線，那么路徑上的阻抗會更高。另外，引腳及焊盤本身也會有寄生電感存在，瞬態(tài)電流流經(jīng)此路徑必然產(chǎn)生壓降，因此負(fù)載芯片電源引腳處的電壓會隨著瞬態(tài)電流的變化而波動，這就是阻抗產(chǎn)生的電源噪聲。