射频应用中射频（RF）电源轨的挑战与解决方案

*本系列文章首发并连载于Qorvo Power

Qorvo首席系统工程师/高级管理培训师 Masashi Nogawa将通过《从射频信号完整性到电源完整性》这一系列文章，与您探讨射频（RF）电源的相关话题，以及电源轨可能对噪声敏感的RF和信号链应用构成的挑战。本文将提出一个简单的问题：鉴于受噪声“污染”的电源可能会破坏您的信号，那您将如何保持电源轨的“清洁”？

多年来，电子工程师们一直在讨论“信号完整性”，但如今越来越意识到“电源完整性”对RF和信号质量的影响。可以这样说，关于电源完整性的讨论始于20世纪末，当时的关注点在于如何为有高电流瞬态需求的微处理器提供合适的电源。这种需求首先在个人及商务计算机所使用的英特尔（Intel）和太阳微系统（Sun Microsystems）等公司的生态系统中出现；例如，Istvan Novak博士曾在2000年的DesignCon上就电源分配网络（PDN）的阻抗测量问题做了题为《在电源分配网络中测量毫欧姆和皮亨》的演讲。如今，市场上出现了各种类型的微处理器，如DSP、FPGA和GPU，如何处理瞬态电流被视为PDN日益严峻的技术挑战。

最初，PDN设计更偏向于给数字系统供电，以确保和维持准确的逻辑高、低电平。例如，由负载电流瞬变导致的过多电源轨输出电压下冲可能会翻转逻辑状态，过多的过冲可能会损坏处理器芯片。由于允许的过冲和下冲峰值之间的裕量很小，而且电源轨电压越来越低，因此开发出了一些特殊技术；如英特尔移动电压配置（IMVP）规范中所述的方法，即在负载瞬变时有意引入“下垂”，以限制总电压偏移（图1）。

图1，利用主动引入“下垂”调制来减少由负载瞬变导致的总的电压偏差

随着我们社会数字化程度的加深，嵌入式处理器（DSP、FPGA、GPU）被广泛应用于各种设备中，人机界面的普及以及由此产生的数据洪流意味着我们必须应对日益增长的高速数据通信需求。更高的数据速率通常意味着处理器及通信接口消耗的功率更大。更长路径的连结让传输信号更类似于模拟信号，伴随着边沿偏移，电平易受下垂以及其它电源的影响。这使得驱动通信线路的电源轨完整性变得愈发重要。

按照PDN设计目标随时间的发展顺序，系统对电流需求的增加可分为以下几类：

计算机：CPU中晶体管更高的集成度，要求更高的电流和更好的负载瞬态处理能力

嵌入式处理：DSP、FPGA和/或GPU处理更大的数据吞吐量，从而要求更高的电流及更高的负载瞬态水平

高速通信：数字数据的激增要求通信接口提供更大的电流

这些日益增长的需求成为推动电源完整性提升的主要动力；原因在于最简单同时也是最重要的一条规则：欧姆定律。在PDN的考量中，欧姆定律转化为一个目标阻抗ZTarget，如Larry Smith、Steve Sandler和Eric Bogatin在一篇文章中所表述的“等式1”所示。该等式定义了从处理器晶圆内核往PDN看进去的最高阻抗。如果PDN的阻抗保持在此限值之下，即便芯片中流入最极端的瞬态电流，也会产生一个可接受的低电源轨瞬态电压。

ZTarget=ΔV(max-noise)/ITransient （等式1）

当谈到电源完整性时，大多数情况下，我们的“电源轨”是一个电压调节器，有时也被称为电压调节模块（VRM）。Keysight Technologies公司的Heidi Barnes在其文章中对此进行了很好的总结：“POL电源通常是采用降压调节器DC/DC转换器设计的开关模式电源。在微处理器印刷电路板领域，将其称为电压调节模块。所有这些术语彼此皆可等价互换，都用来指代电源的来源”。

VRM旨在为其负载设备提供稳定、恒定的电压输出，无论面对多高的负载电流亦或多快的负载电流瞬变。任何偏离VRM目标输出电压的偏差都被视为误差或噪声。在此处，我们使用“误差电压”这个术语来更多地表示直流意义上的电压偏差；相比之下，“噪声电压”一词则更多指代交流或频域中的电压偏差。因此，我们完美而理想的直流电源（如目标电压为3.3V）应具有以下特点：

使用校准后的高精度数字万用表（DMM）读数为3.300000000…

在示波器上，使用最敏感的电压量程显示为一条直线

使用频谱分析仪监测3.3V输出时，无可见信号功率，低至底噪

图2，完美的VRM输出

导致VRM系统出现直流误差或噪声的因素有很多，因此以下列出的因素并非详尽无遗。对此，本系列的后续文章将就这些主题展开详细探讨。

直流输出电压误差

VRM内部参考电压偏离目标值

VRM中误差放大器的正（+）或负（-）输入端口出现偏移电压

动态/交流输出电压误差

VRM反馈回路存在交流噪声源——VRM系统中的所有电阻、晶体管和二极管在调节过程中都会引入噪声

VRM的负载调整能力有限

VRM受负载电流的影响

VRM的输出阻抗有限

VRM在频域内受动态/交流负载电流的影响；参见等式1

VRM的线性调整能力有限

VRM受输入电压的影响

PSRR（电源纹波抑制比）

VRM在频域内受动态/交流输入电压的影响

对于本系列所有文章而言，需要强调的一个重要因素在于VRM输出电压通常分配给多个负载器件，无法在每一个器件上都保持完全精准。这与RF或信号链电路设计并无不同。