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随着配电网络（PDN）变得日益复杂，依靠传统的技术指标确保高速数字设计中的电源完整性（PI）已经行不通。往往直到设计过程的后期才发现畸变电压波形，重新进行设计需要付出巨大代价。现代化的工作方法可以帮助您避免风险和失败。从 pre-layout 开始，探索覆盖整个电源完整性生态系统的仿真和测量综合工作流程。
当前，多功能、始终在线的互联设备与系统主导着高速数字设计的发展趋势。新一代智能设备或物联网设备呈现出复杂度不断攀升、功耗持续降低，且封装日益紧凑坚固的特点。以智能汽车为例，它集传感器、高性能车载计算机、以及复杂的通信系统于一体，能够实时连接互联网、GPS卫星、其他车辆及交通信号灯（图1）。
自动驾驶汽车：4TB数据
图1. 自动驾驶汽车从其高速数字（HSD）子系统中生成海量数据
除了面对复杂度、功耗与空间限制的挑战，业界对数据传输速度的追求也从未停歇。目前，主流消费电子产品已普遍提供千兆级数据传输速度。而云端数据的海量需求，正驱动数据中心采用400Gb以太网通信及更高带宽的服务器集群。
电子设备复杂度的提升，直接导致了设计与测试要求的呈指数级增长。例如，5G无线技术所需的合规测试项目数量，已达到其前代LTE技术的20倍之多。当Wi-Fi、蓝牙®、多射频技术、数字存储及高速输入/输出等多种技术共同集成于单一系统时，所产生的海量数据，已明显超出了当前管理设计与测试配置的传统能力范围。更复杂的是，电子设计师还需满足全球超过20个不同地区的本地标准与认证要求。
采用基于仿真与实测的工作流程，电源完整性工程师能够有效设计出无谐振的供电系统，从而规避异常电压波动风险。
预测电磁干扰与合规性至关重要
在产品设计周期末尾的合规性测试（如传导发射测试）中失败，代价十分高昂。基于增补元件或重新设计的老式电磁干扰抑制方法，不仅成本高，而且耗时费力。通过追加滤波器和电容器进行改装，会增加制造成本；而为解决电磁干扰/电磁兼容（EMI/EMC）问题而重新设计，则会导致产品上市延迟和收入损失。
更为有效的方法是：在设计初期就开始识别并抑制潜在的电磁干扰噪声源。供电网络是设计中连接所有部分的唯一网络，也为传导性电磁干扰噪声提供了在系统中传播的路径。开关转换器或负载需求产生的快速电流变化（di/dt）瞬态，极易与寄生电感相互作用，引发过大的Ldi/dt电源轨噪声。
这种针对高速数字设计的专项供电技术，已发展为一个独立的工程领域------电源完整性工程。现代设计工具套件与方法论，使电源完整性工程师能够在设计前期模拟潜在的电磁干扰源，并预测合规性。寄生效应是否会影响设计，取决于目标合规规范、设计内置的性能裕量，以及制造与工艺公差。
数据手册无法揭示高速PDN的最坏情况电压噪声
在配电网络（PDN）日益复杂的世界中（例如自动驾驶汽车），供电已不再是一个单纯的直流问题。高速数字数据传输需要微波频率下的快速供电。自动驾驶汽车的PDN为摄像头、雷达、声纳、GPS和激光雷达等子系统收集的数据提供服务，这些数据每日可轻松达到4TB（图1和图2）。车辆在本地处理数据，需要处理器、DDR内存、串行器/解串器收发器件，每个组件都有其自身的负载点电源。这些子系统产生的快速 di/dt 开关负载，会与供电路径中的任何电感相互作用，从而产生电压噪声纹波。随着电源轨电压降至1V以下以满足低功耗和更高数据速率的要求，允许的纹波量也在持续减小。
注：负载点电源通常是一种采用降压稳压器设计的开关模式电源。在微处理器印刷电路板领域，这被称为电压调节器模块。所有这些术语可互换使用，均指电源。
图2. 在这个代表当今复杂供电生态系统的自动驾驶汽车PDN示例中，电源完整性的核心在于微波频率下的快速供电。
PDN必须为负载提供纯净的电源。电子设备有最高电压和纹波规格，以避免损坏、数据丢失和EMI/EMC故障。电源轨的目标是即使在电流负载以高频 di/dt 瞬态频繁开关时，也能提供恒定电压。测量电源轨噪声的传统方法通常无法检测到最坏情况的电压纹波。
为了测试电源轨，电源完整性工程师通常采用数据手册中经典的阶跃负载激励。当电流的阶跃负载变化施加到电压轨上时，工程师将电源轨的相应响应称为自然响应。自然响应通常会有一些振铃，但会呈指数衰减。阶跃负载产生的小电压纹波可能很容易满足规格要求。
当负载以该纹波频率激励电源轨时，其响应称为受迫响应（图3）。谐振的受迫响应要大得多，代表了电源轨上最坏情况的纹波。受迫响应会呈指数增长至一个稳态值。它可能大到足以导致设备损坏的过压、数据传输故障和EMI噪声。负载的正常运行可能永远不会激发此谐振频率，但数字系统是宽频带的，难以测试所有运行场景的组合。例如，频繁开关的省电模式和数据突发，很容易产生从千赫兹到千兆赫兹范围的高速数字负载瞬态。
电子元件的单个数据手册并不包含关于最终用户应用的足够信息，以提供最坏情况的受迫响应数据。印刷电路板、互连线和去耦电容的分布电感会产生复杂的动态行为，这在过度简化的阶跃响应中并不明显。能够对PCB布线进行电磁仿真的现代仿真工具，使电源完整性工程师能够分析这种复杂性，从而在设计初期识别并缓解问题。
图3. 在此实时示波器进行的电源轨测量中，黄色轨迹显示电源轨电压幅度随时间变化，蓝色轨迹显示相应的负载电流幅度随时间变化。
关键要点：受迫响应才是最坏情况，而非数据手册中的阶跃负载。
测试最坏情况电压纹波的现代工作流程方法，是观察频域中的阻抗峰值（图4）。电源完整性工程师必须识别电源轨的阻抗峰值，在该频率下，di/dt 乘以阻抗将导致最大纹波。如果峰值低于目标阻抗（水平的绿色虚线），则该峰值频率下的电压纹波将在可接受限值内。 然而，如果第二个阻抗峰值频率在第一个频率的受迫响应最大值处被激发，而第三个阻抗峰值频率又在前两个的最大值处被激发，会发生什么？正如两股海浪对齐会形成一个巨大的异常波，多个谐振也可能对齐，从而在电源轨上产生异常电压波。尽管概率很低，但异常电压波确实存在。下一代自动驾驶汽车的乘客不应冒险面对异常波。尤其是当现代的仿真与测量工作流程能够超越数据手册，在设计初期就解决问题时。
图4. 频域中的多个阻抗峰值会导致电源轨纹波，并可能成为异常电压波的来源。
关键要点：电压异常波真实存在。
百年警示：跨洋电缆的失败与现代工程的启示
如图所示，最初铺设至纽芬兰心满意足港的跨洋电缆，其设计看似简单。不就是在发射端与接收端之间拉一条线吗，能有多难？然而，在耗费巨资与时间将电缆横跨大西洋铺设完成后，1858年的首次测试就发现信号质量极差，操作员不得不将传输速度降至几乎不可用的程度。次月，电工怀尔德曼·怀特豪斯为了尝试提升传输速率，对电缆施加了过高电压，导致电缆损毁。当时，又有哪位信号与电源完整性工程师来解释交流阻抗呢？
总而言之，电源完整性工程师再也无法承受等到布局完成后才进行测量、从而在配电网络上发现电磁干扰的代价。在设计周期后期才遭遇电磁兼容测试失败的代价太高了。从布局后电磁分析才开始，往往导致对一个糟糕的设计进行优化，从而引发重新设计。
正确的做法是： 从布局前阶段开始，在进入实际布局和优化之前，就通过仿真探索正确的设计空间。这既能节省重新设计的费用，也能缩短开发周期。将仿真工具作为现代电源完整性工作流程的一部分，可以有效防止在高速数字设计流程后期出现失败。
从传统基于数据手册的方法，转向现代基于仿真与测量的工作流程，能够产出更高质量、具有无谐振配电网络并避免异常电压波的高速数字设计。