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电源完整性设计中电源系统噪声余量分析

  绝大多数芯片都会给出一个正常工作的电压范围,这个值通常是±5%。例如:对于3.3V电压,为满足芯片正常工作,供电电压在3.13V到3.47V之间,或3.3V±165mV。对于1.2V电压,为满足芯片正常工作,供电电压在1.14V到1.26V之间,或1.2V±60mV。这些限制可以在芯片datasheet中的recommended operaTIng cONditions部分查到。这些限制要考虑两个部分,第一是稳压芯片的直流输出误差,第二是电源噪声的峰值幅度。老式的稳压芯片的输出电压精度通常是±2.5%,因此电源噪声的峰值幅度不应超过±2.5%。当然随着芯片工艺的提高,现代的稳压芯片直流精度更高,可能会达到±1%以下,TI公司的开关电源芯片TPS54310精度可达±1%,线性稳压源AMS1117可达±0.2%。但是要记住,达到这样的精度是有条件的,包括负载情况,工作温度等限制。因此可靠的设计还是以±2.5%这个值更把握些。如果你能确保所用的芯片安装到电路板上后能达到更高的稳压精度,那么你可以为你的这款设计单独进行噪声余量计算。本文着重电源部分设计的原理说明,电源噪声余量将使用±2.5%这个值。
    电源噪声余量计算非常简单,方法如下:
    比如芯片正常工作电压范围为3.13V到3.47V之间,稳压芯片标称输出3.3V。安装到电路板上后,电路板稳压芯片输出3.36V。那么容许电压变化范围为3.47-3.36=0.11V=110mV。稳压芯片输出精度±1%,即±3.363*1%=±33.6 mV。电源噪声余量为110-33.6=76.4 mV。
    计算很简单,但是要注意四个问题:
    第一,稳压芯片输出电压能精确的定在3.3V。外围器件如电阻电容电感的参数也不是精确的,这对稳压芯片的输出电压有影响,所以这里用了3.36V这个值。在安装到电路板上之前,你不可能预测到准确的输出电压值。
    第二,工作环境是否符合稳压芯片手册上的推荐环境?器件老化后参数还会和芯片手册上的一致么?
    第三,负载情况怎样?这对稳压芯片的输出电压也有影响。
    第四,电源噪声最终会影响到信号质量。而信号上的噪声来源不仅仅是电源噪声,反射串扰等信号完整性问题也会在信号上叠加噪声,不能把所有噪声余量都分配给电源系统。所以,在设计电源噪声余量的时候要留有余地。
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