電源完整性設計中電源系統噪聲余量分析

絕大多數芯片都會(huì )給出一個(gè)正常工作的電壓范圍，這個(gè)值通常是±5%。例如：對于3.3V電壓，為滿(mǎn)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(mǎn)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(gè)部分，第一是穩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超過(guò)±2.5%。當然隨著(zhù)芯片工藝的提高，現代的穩壓芯片直流精度更高，可能會(huì )達到±1%以下，TI公司的開(kāi)關(guān)電源芯片TPS54310精度可達±1%，線(xiàn)性穩壓源AMS1117可達±0.2%。但是要記住，達到這樣的精度是有條件的，包括負載情況，工作溫度等限制。因此可靠的設計還是以±2.5%這個(gè)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到更高的穩壓精度，那么你可以為你的這款設計單獨進(jìn)行噪聲余量計算。本文著(zhù)重電源部分設計的原理說(shuō)明，電源噪聲余量將使用±2.5%這個(gè)值。

　　電源噪聲余量計算非常簡(jiǎn)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，穩壓芯片標稱(chēng)輸出3.3V。安裝到電路板上后，穩壓芯片輸出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(jiǎn)單，但是要注意四個(gè)問(wèn)題：

　　第一，穩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也不是精確的，這對穩壓芯片的輸出電壓有影響，所以這里用了3.36V這個(gè)值。在安裝到電路板上之前，你不可能預測到準確的輸出電壓值。

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

　　第三，負載情況怎樣?這對穩壓芯片的輸出電壓也有影響。

　　第四，電源噪聲最終會(huì )影響到信號質(zhì)量。而信號上的噪聲來(lái)源不僅僅是電源噪聲，反射串擾等信號完整性問(wèn)題也會(huì )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。所以，在設計電源噪聲余量的時(shí)候要留有余地。

　　另一個(gè)重要問(wèn)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(huà)，1.2V電壓等級的噪聲余量只有30mV。這是一個(gè)很苛刻的限制，設計的時(shí)候要謹慎些。模擬電路對電源的要求更高。電源噪聲影響時(shí)鐘系統，可能會(huì )引起時(shí)序匹配問(wèn)題。因此必須重視電源噪聲問(wèn)題。