电力完整性专家意见
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本节中包含的文章和专栏来自《信号完整性杂志》编辑咨询委员会(EAB)的成员。EAB成员审查网站上发布的每一篇技术文章，并经常寻求他们的建议。在本专栏中，EAB将讨论与电源完整性相关的问题。

Istvan是Samtec的首席信号和电源完整性工程师，致力于先进的信号和电源完整性设计。在2018年之前，他是SUN Microsystems(后来是Oracle)的杰出工程师。他致力于新的先进配电设计和验证方法。他负责SUN成功的工作组服务器系列的电源分配和高速信号完整性设计。他介绍了业界首个用于大型刚性计算机板的25 um电源接地层压板，并与组件供应商合作创建了一系列低电感和可控esr旁路电容器。他还曾担任SUN在InfiniBand铜电缆和连接器工作组中的代表，并从事从硅到DC-DC转换器的配电网络的方法、设计和表征。他是IEEE终身会员，拥有25项专利，著有两本关于电源完整性的书籍，教授信号和电源完整性课程，并维护SI/PI网站。

制作一个热气腾腾、毛茸茸的高尔夫球

2019年7月19日

什诺瓦克

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在他有趣的文章，¹我的朋友Steve Sandler指出了我们在配电设计中面临的一个主要障碍:电力工程师(设计电力转换器的人)和电力完整性工程师(设计系统旁路解耦网络的人)使用不同的词汇、技术和要求。为了更好地理解我们是如何走到这一步的，我想从我在90年代初的一次会议主题演讲中听到的一个预言开始:“在10到20年内，计算机将看起来像毛茸茸的蒸汽高尔夫球。”争论的焦点是许多不同的IO电缆——还记得并行打印机电缆吗?-将使计算机看起来毛茸茸的，而且由于它们将小得多，可能只有高尔夫球那么大，它们将消耗更多的能量，并且会冒热气。近30年过去了，是时候问自己:我们到了吗?

回到几十年前，图1显示了一个由锗二极管和晶体管制成的计算机板。

图1。来自早期计算机的DTL(二极管-晶体管-逻辑)。请注意，在电路板上没有任何配电组件。

这台计算机板工作良好，没有旁路或解耦组件在板上。底盘上有一个中央电源和几个大容量电容器，这都是关于电源分配的。相比之下，今天的耗电大芯片需要数百个电源分配组件来为它们供电，这些组件争夺芯片周围的主要空间，而关键信号完整性和热解决方案也希望占据同样的空间。图2展示了近年来的一个小型个人电脑主板。

图2。一个千兆的H110M-A主板的部分俯视图

实际上，你在CPU周围看到的所有组件都在为各种功率分配提供服务。中所示的需求金字塔说明了什么使配电设计在今天真正具有挑战性图3。在上面，我们有系统功能需求。客户最终关心的是系统功能、可用性和可靠性(当然还有成本)，因此在这个层次上，系统设计者和制造商有许多详细的规范和需求需要遵守。这些要求可能具有挑战性，可能难以实现，但它们为设计和验证提供了指导。

图3。金字塔的各种要求为一个系统

同样，确定系统是否满足需求是(相对)简单和直接的。然而，当我们往下看金字塔的辅助功能时，这一切都变了。

对于高速计算和通信机顶盒来说，信号完整性无疑是一个至关重要的支撑功能。信号完整性保证传输位没有错误或只有足够少的错误。

在过去的几十年里，逐渐制定了行业范围内的标准、最佳实践和程序，以帮助进行信号完整性设计、提出和验证。例如，在所有信号标准的物理层部分都阐明了电气要求。这些需求已经有了很长的路要走:首先我们只有误码率要求，后来出现了各种掩码，今天我们有有效回报损失(ERL)和通道运营利润率(COM)帮助设计和验证。测试仪器和模拟软件都包含了这些需求，以帮助我们进行测试和验证。此外，一些信令标准提供了故障安全的后备措施:如果高速链路没有出现或停止以最大速度工作，它将降低数据速率，直到至少恢复一些功能。所以我的观点是，在信号完整性方面，今天有许多规范、要求和标准提供指导和设定设计目标。

随着我们在金字塔上越往下走，支持和指导的可用性就会发生巨大的变化。我在金字塔的底部展示权力的完整性，有两个原因。首先，功率完整性是信号完整性和系统功能的必要基础。如果电源分配不能正常工作，信号完整性和系统功能可能会变得完全无关紧要——因为系统将无法工作。其次，对于电源完整性设计和验证，没有行业标准，甚至规范和要求往往都非常不完整。在配电设计过程中，许多需求都留给了设计师来确定，这使得设计和验证过程有点不明确，非常具有挑战性。

当我们回到90年代所做的预测:你可以想象一下，对于需要DC-DC转换器的最大电流高达1000a的高功耗芯片，功率分布是怎样的?²虽然与预测相比晚了几年，但处理许多tb流量的大型交换机芯片很快就会看起来像毛茸茸的、冒着蒸汽的高尔夫球。

现在，如果我们最终回到文中指出的挑战:¹为什么电力工程师和电力完整性工程师对同一个常见问题仍然有不同的词汇和不同的方法?图4会帮助我们解释。

图4。开关电压调节器的框图

图中的蓝色块表示开关稳压器的主要子系统:这是电力工程师的领域。灰色块(电力完整性工程师的领域)代表用户系统中的电路:旁路电容器，可选滤波器，以及最终我们需要馈电的负载。这些块在转换器输出处连接在一起。输出电压由反馈回路调节，反馈电路的感应点必须监测转换电路和用户负载连接的相同输出。这意味着从反馈环稳定性的角度来看，电压调节电路和用户负载是不可分割地联系在一起的，最终只有当我们知道所有这些块时，才能评估稳定性。

当我们为给定的已知负载设计DC-DC变换器时，我们可以密切合作或由同一个人进行电源和电源完整性设计。但是当电力工程师为公开市场设计稳压器时，他们如何知道用户要求和用户电路呢?当然，他们没有。此外，出于经济原因，电压调节器往往具有较宽的输入和输出电压范围，进一步增加了大量可能的用户应用。所有这些都让电力工程师别无选择，只能专注于调节器本身，并尽可能地将其与负载隔离。在开关稳压器的最初几十年里，这导致了有限的环路带宽和大量的输出电容器，这样添加未知用户电路的影响被最小化。

所示的DC-DC变换器图5是一个20年前的设计，并提供了最大16a。转换板的有效面积(不带边指)为1.25英寸。× 3.5英寸。在输出连接旁边，我们看到16个大型陶瓷电容器。这些电容器与卡边连接的串联电感一起提供了与未知负载阻抗的实质性隔离。在那些日子里，电力工程师和电力完整性工程师说不同的语言，这并没有造成一个重大的问题。今天，由于改进的技术和持续的成本降低，双9 a(或单18 a)全封装DC-DC转换器模块在其每个输出上有一个2.2 uF电容器，并在0.63英寸。× 0.5英寸。BGA包。^3.BGA封装提供了低连接阻抗，但也减少了串联隔离。同样，输出上的单个陶瓷电容器意味着分析反馈回路的稳定性，我们不能再忽略功率变换器输出级与负载电路之间的相互作用。现在是时候统一电力和电力完整性工程师的词汇和设计/验证过程了。