同步开关噪声产生的原因和影响

电源完整性的隐性杀手

在现代高速电子设计中，电源完整性（Power Integrity，PI）问题已成为影响系统性能的关键因素之一。在电源完整性问题中，同步开关噪声（Simultaneous Switching Noise，SSN）是一个经常被提及但又容易被忽视的重要概念。 同步开关噪声（SSN），又被称为地弹（Ground Bounce）或数字噪声（Digital Noise），是指在数字电路中，当大量输出驱动器同时切换状态时产生的电源噪声。这个现象主要发生在集成电路的电源与地平面之间，通常在高速数字电路和系统中尤为明显。

同步开关噪声产生的原因

大量的芯片同步切换时，产生的瞬态电流在电源或地平面上产生大量噪声，因此 SSN 也被称为 Δi 噪声。当信号从低电平切换到高电平时，需要从电源模块吸收能量，电流开始流动，但因为我们的互连设计不是理想的，电源走线上会有阻抗，阻挡电流立刻到达芯片引脚。另外寄生电感也会使电路在开关电流的存在下带来电压波动，形成电压噪声。I/O 开关速度越快，瞬时电流变化越快，在电流回路上产生的噪声越大。这种噪声会通过电源系统传播，带来的电源完整性问题影响整个系统的性能。

同步开关噪声的影响

·  信号完整性：SSN 会对信号完整性产生严重影响，导致信号过冲、下冲、抖动等问题，甚至可能引发误码。

·  电源完整性：SSN 会在电源系统中引起瞬态电压跌落，导致电源不稳定，影响敏感的模拟和数字电路的正常工作。

·  电磁干扰（EMI）：由于 SSN 会在电源平面上产生高频噪声，这种噪声很容易通过 PCB 板的走线或电缆辐射出去，增加系统的电磁辐射水平。

如何减少同步开关噪声的负面影响

· 增加电源与地平面的耦合，减小寄生电感。

· 使用多层板设计，将电源与地平面相互叠加，提高电源平面的平滑性。

· 在关键位置放置去耦电容，尤其是靠近驱动器或IC的电源引脚处，提供局部电源。

·  采用星形拓扑结构，将电源从电源输入端到各个负载分配得当，减少电流突变对其他电路的影响。

·  采用电源完整性仿真工具进行预先评估和优化设计。

如何使用仿真工具优化设计

使用巨霖 SIDesigner，可以对 IBIS 模型开放供电接口，引入 SSN 的分析。

在 SIDesigner 的 IBIS 模型“IC”中，导入 IBIS 文件和模型，去勾选 power on，即可用外接供电。

结合设计师的电源电路设计，搭配 SIDesigner 内嵌的高精度硅验证 TJSPICE 仿真引擎对高速电路进行预仿真，通过波形结果观察并测量 SSN 情况，进行设计迭代优化。

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