2.4　电源完整性的概念

2.4.1　电源完整性的定义

电源信号是电信号的一个特例，因此，电源完整性是信号完整性的一个特例，电源信号在传输过程中同样具有完整性的问题。

电源完整性，英文为Power Integrity，简称PI，指电源系统所产生的电源信号经供电传输线传输，到达受电器件电源输入管脚时，能够保证电压的波动量和电流的供给量满足受电器件正常工作的要求。电源完整性表示信电源信号的质量在经过传输后仍保持相对良好的特性，否则被供电的电路就不能正常工作。

集成电路芯片，尤其是数字集成电路芯片，其工作的本质是内部晶体管状态的翻转，大量晶体管状态的翻转需要供电系统提供其所需要的瞬态变化量很大的电流，其所需的电源能量只能由电源供电单元所提供。

以“个人资金供给系统”类比受电器件的电源供电单元，可以更直观地理解电源完整性的概念。

一个人的资金供给系统通常包括工作收入、股票投资或定期存款、活期存款或随身现金。假设某个人的消费习惯是这样的，他每次拿到工资后，或进行股票投资，或存入银行成为活期存款，当活期存款积累到某个数目后，会将一定数目的活期存款变为定期存款。

如此一来，这个人的资金供给系统就包括以下几个方面：

①个人稳定的工作收入，为个人提供源源不断的资金；

②股票投资或定期存款，暂存在股票市场或银行，资金数目较大，此处只考虑转换为现金的时间消耗，不考虑投资获利；

③活期存款或随身现金，暂存在银行或个人口袋里，资金数目较小，可以即时获取现金，满足某次消费。

我们将能够满足每一次消费的个人资金供给系统称为良好的资金供给系统，则良好的资金供给系统应该满足以下条件：

●从长期来看，收入大于支出，否则个人终将破产；

●股票投资或定期存款能够及时补充活期存款或随身现金，为下一次消费提供即时现金；

●活期存款或随身现金足够满足任意一次消费，否则一定存在一次失败的消费。

将受电器件的电源供电单元类比为个人资金供给系统，电源供电单元包括以下几个部分。

①电源转换装置，为中远距供电中继电容器、近距供电中继电容器和受电器提供源源不断的电源能量，相当于个人稳定的工作，可以带来稳定的收入。

②中远距供电中继电容器（容量较大、等效串联电阻较大的电容器）与受电器件相距较远，为受电器件电源管脚附近的供电中继电容器供应电源能量，相当于个人资金供给系统的股票市场或银行，暂存较大额度的资金。

③位于受电器电源管脚附近的近距供电中继电容器（容量较小、等效串联电阻较小的电容器），能够直接而及时地为受电器件提供电源能量，相当于个人资金系统的银行或个人口袋，暂存较小额度的现金。

④电源信号传输通道，存在于从电源转换装置到中远距供电中继电容器之间、从中远距供电中继电容器到近距供电中继电容器之间，以及从近距供电中继电容器到受电器的电源和地管脚之间，电源信号的这些传输通道必须满足电源信号正常传输的要求。

对于某个受电器件，它的电源供电单元能否满足其正常工作的要求，要系统地研究组成其电源供电单元的电源转换装置、远距供电中继电容器、近距供电中继电容器以及各段电源传输通道是否安排合理。

2.4.2　影响电源完整性的因素

良好的电源供电单元，类似良好的个人资金供给系统，应满足以下条件：

●电源转换装置必须能够提供稳定且功率充足的电源功率，否则受电器件会因得不到足够的电源功率而无法正常工作；

●中远距电源供电中继电容器必须能够存储足够的电源能量，并及时补充受电器件附近的近距电源供电中继电容器所消耗的能量；

●近距电源供电中继电容器必须能够为受电器件正常工作提供即时电源能量，满足器件内晶体管状态翻转所需瞬态变化的电流能量；

●供电单元有良好的电源信号传输通道，提供良好的电源传输。

如果上述4个条件中的任一项不能得到满足，就会破坏电源供电单元的良好性，即电源的完整性得不到保证。

因此电源完整性设计就是合理设计这些组成部分，以保证芯片电源端的电压波动维持在一个合理范围，并且供电电流充足，这样电源供电单元才具备电源完整性。

2.4.3　电源完整性的意义

只要有电源信号的传输，就存在电源的完整性问题。归纳起来，电源完整性问题存在于以下三个层面。

（1）一次电源完整性问题

一次电源装置输出的电源信号称为一次电源信号。一次电源装置一般指从电子设备外部提供电能的电源装置，比如220VAC市电系统。

（2）二次电源完整性问题

二次电源装置输出的电源信号称为二次电源信号。二次电源装置一般是电子设备内部的一个电源转换模块，将一次电源转换为电子设备内部各模块的输入电源信号，如商用计算机内部的机箱电源，将220VAC转换为±5VDC和±12VDC4种直流电源信号。

（3）三次电源完整性问题

三次电源装置输出的电源信号称为三次电源信号。三次电源装置一般是指电子设备内部各模块上的电源转换电路，转换电路输出的电源信号可直接供受电器件使用，如计算机主板上的各DC/DC转换器，将5VDC电源转换为+3.3VDC、2.5VDC、1.8VDC等电源信号。

与信号完整性一样，电源完整性也是电子系统或设备研发必须满足的底线。系统或设备中任何一个电路单元的供电系统必须具有电源完整性，以确保该电路单元能够稳定工作。