『從射頻信號(hào)完整性到電源完整性』射頻應(yīng)用中的挑戰(zhàn)與解決方案
Qorvo 首席系統(tǒng)工程師/高級(jí)管理培訓(xùn)師 Masashi Nogawa 將通過《 從射頻信號(hào)完整性到電源完整性 》這一系列文章,與您探討射頻(RF)電源的相關(guān)話題,以及電源軌可能對(duì)噪聲敏感的RF和信號(hào)鏈應(yīng)用構(gòu)成的挑戰(zhàn)。本文將提出一個(gè)簡單的問題: 鑒于受噪聲“污染”的電源可能會(huì)破壞您的信號(hào),那您將如何保持電源軌的“清潔” ?
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/202411/465055.htm多年來,電子工程師們一直在討論“ 信號(hào)完整性 ”,但如今越來越意識(shí)到“電源完整性”對(duì)RF和信號(hào)質(zhì)量的影響??梢赃@樣說,關(guān)于電源完整性的討論始于20世紀(jì)末,當(dāng)時(shí)的關(guān)注點(diǎn)在于如何為有高電流瞬態(tài)需求的微處理器提供合適的電源。這種需求首先在個(gè)人及商務(wù)計(jì)算機(jī)所使用的英特爾(Intel)和太陽微系統(tǒng)(Sun Microsystems)等公司的生態(tài)系統(tǒng)中出現(xiàn);例如,Istvan Novak博士曾在2000年的DesignCon上就電源分配網(wǎng)絡(luò)(PDN)的阻抗測(cè)量問題做了題為《在電源分配網(wǎng)絡(luò)中測(cè)量毫歐姆和皮亨》的演講。如今,市場(chǎng)上出現(xiàn)了各種類型的微處理器,如DSP、FPGA和GPU, 如何處理瞬態(tài)電流被視為PDN日益嚴(yán)峻的技術(shù)挑戰(zhàn) 。
最初,PDN設(shè)計(jì)更偏向于給數(shù)字系統(tǒng)供電,以確保和維持準(zhǔn)確的邏輯高、低電平。例如,由負(fù)載電流瞬變導(dǎo)致的過多電源軌輸出電壓下沖可能會(huì)翻轉(zhuǎn)邏輯狀態(tài),過多的過沖可能會(huì)損壞處理器芯片。由于允許的過沖和下沖峰值之間的裕量很小,而且電源軌電壓越來越低,因此開發(fā)出了一些特殊技術(shù);如英特爾移動(dòng)電壓配置(IMVP)規(guī)范中所述的方法,即在負(fù)載瞬變時(shí)有意引入“下垂”,以限制總電壓偏移(圖1)。
圖1,利用主動(dòng)引入“下垂”調(diào)制來減少由負(fù)載瞬變導(dǎo)致的總的電壓偏差
隨著我們社會(huì)數(shù)字化程度的加深,嵌入式處理器(DSP、FPGA、GPU)被廣泛應(yīng)用于各種設(shè)備中,人機(jī)界面的普及以及由此產(chǎn)生的數(shù)據(jù)洪流意味著我們必須應(yīng)對(duì)日益增長的高速數(shù)據(jù)通信需求。更高的數(shù)據(jù)速率通常意味著處理器及通信接口消耗的功率更大。更長路徑的連結(jié)讓傳輸信號(hào)更類似于模擬信號(hào),伴隨著邊沿偏移,電平易受下垂以及其它電源的影響。這使得驅(qū)動(dòng)通信線路的電源軌完整性變得愈發(fā)重要。
按照PDN設(shè)計(jì)目標(biāo)隨時(shí)間的發(fā)展順序,系統(tǒng)對(duì)電流需求的增加可分為以下幾類:
計(jì)算機(jī) : CPU中晶體管更高的集成度,要求更高的電流和更好的負(fù)載瞬態(tài)處理能力
嵌入式處理 : DSP、FPGA和/或GPU處理更大的數(shù)據(jù)吞吐量,從而要求更高的電流及更高的負(fù)載瞬態(tài)水平
高速通信 : 數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)的激增要求通信接口提供更大的電流
這些日益增長的需求成為推動(dòng)電源完整性提升的主要?jiǎng)恿?;原因在于最簡單同時(shí)也是最重要的一條規(guī)則: 歐姆定律 。在PDN的考量中,歐姆定律轉(zhuǎn)化為一個(gè)目標(biāo)阻抗Z Target ,如Larry Smith、Steve Sandler和Eric Bogatin在一篇文章中所表述的“等式1”所示。該等式定義了從處理器晶圓內(nèi)核往PDN看進(jìn)去的最高阻抗。如果PDN的阻抗保持在此限值之下,即便芯片中流入最極端的瞬態(tài)電流,也會(huì)產(chǎn)生一個(gè)可接受的低電源軌瞬態(tài)電壓。
Z Target =ΔV (max-noise) /I Transient (等式1)
當(dāng)談到電源完整性時(shí),大多數(shù)情況下,我們的“電源軌”是一個(gè)電壓調(diào)節(jié)器,有時(shí)也被稱為 電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM) 。Keysight Technologies公司的Heidi Barnes在其文章中對(duì)此進(jìn)行了很好的總結(jié):“ POL電源通常是采用降壓調(diào)節(jié)器DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的開關(guān)模式電源 。在微處理器印刷電路板領(lǐng)域,將其稱為 電壓調(diào)節(jié)模塊 。所有這些術(shù)語彼此皆可等價(jià)互換,都用來指代電源的來源”。
VRM旨在為其負(fù)載設(shè)備提供穩(wěn)定、恒定的電壓輸出 ,無論面對(duì)多高的負(fù)載電流亦或多快的負(fù)載電流瞬變。任何偏離VRM目標(biāo)輸出電壓的偏差都被視為誤差或噪聲。在此處,我們使用“誤差電壓”這個(gè)術(shù)語來更多地表示直流意義上的電壓偏差;相比之下,“噪聲電壓”一詞則更多指代交流或頻域中的電壓偏差。因此,我們完美而理想的直流電源(如目標(biāo)電壓為3.3V)應(yīng)具有以下特點(diǎn):
使用校準(zhǔn)后的高精度數(shù)字萬用表(DMM)讀數(shù)為3.300000000…
在示波器上,使用最敏感的電壓量程顯示為一條直線
使用頻譜分析儀監(jiān)測(cè)3.3V輸出時(shí),無可見信號(hào)功率,低至底噪
圖2,完美的VRM輸出
導(dǎo)致VRM系統(tǒng)出現(xiàn)直流誤差或噪聲的因素有很多,因此以下列出的因素并非詳盡無遺。對(duì)此,本系列的后續(xù)文章將就這些主題展開詳細(xì)探討。
直流輸出電壓誤差
VRM內(nèi)部參考電壓偏離目標(biāo)值
VRM中誤差放大器的正(+)或負(fù)(-)輸入端口出現(xiàn)偏移電壓
動(dòng)態(tài)/交流輸出電壓誤差
VRM反饋回路存在交流噪聲源——VRM系統(tǒng)中的所有電阻、晶體管和二極管在調(diào)節(jié)過程中都會(huì)引入噪聲
VRM的負(fù)載調(diào)整能力有限
VRM受負(fù)載電流的影響
VRM的輸出阻抗有限
VRM在頻域內(nèi)受動(dòng)態(tài)/交流負(fù)載電流的影響;參見等式1
VRM的線性調(diào)整能力有限
VRM受輸入電壓的影響
PSRR(電源紋波抑制比)
VRM在頻域內(nèi)受動(dòng)態(tài)/交流輸入電壓的影響
對(duì)于本系列所有文章而言,需要強(qiáng)調(diào)的一個(gè)重要因素在于VRM輸出電壓通常分配給多個(gè)負(fù)載器件,無法在每一個(gè)器件上都保持完全精準(zhǔn)。 這與RF或信號(hào)鏈電路設(shè)計(jì)并無不同。
評(píng)論