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PCB设计:电源完整性仿真的必要性

  随着超大规模集成电路工艺的发展,芯片工作电压越来越低,而工作速度越来越快,功耗越来越大,单板的密度也越来越高,因此对电源供应系统在整个工作频带内的稳定性提出了更高的要求。电源完整性设计的水平直接影响着系统的性能,如整机可靠性,信噪比与误码率,及EMI/EMC等重要指标。板级电源通道阻抗过高和同步开关噪声SSN过大会带来严重的电源完整性问题,这些会给器件及系统工作稳定性带来致命的影响。PI设计就是通过合理的平面电容、分立电容、平面分割应用确保板级电源通道阻抗满足要求,确保板级电源质量符合器件及产品要求,确保信号质量及器件、产品稳定工作。

  电源完整性PI与信号完整性SI的相互影响:从整个仿真领域来看,刚开始大家都把注意力放在信号完整性上,但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路,直接决定回流路径,从而影响信号的完整性;同样信号完整性的不同处理方法也会给电源系统带来不同的冲击,进而影响电源的完整性设计。所以对电源完整性和信号的完整性地融会贯通是很有益处的。设计工程师在掌握了信号完整性设计方法之后,充实电源完整性设计知识显得很有必要。

  电源完整性研究的内容:电源完整性仿真的内容很多,但主要的几个方面如下:

  1:板级电源通道阻抗仿真分析,在充分利用平面电容的基础上,通过仿真分析确定旁路电容的数量、种类、位置等,以确保板级电源通道阻抗满足器件稳定工作要求。

  2:板级直流压降仿真分析,确保板级电源通道满足器件的压降限制要求。

  3:板级谐振分析,避免板级谐振对电源质量及EMI的致命影响等。

  图1电源分配系统特性图

  电源分配系统(PDS):上图是一张经典的电源分配系统特性图,相信大家都比较熟悉。从这个图里面,我们可以将整个电源频段分成几部分。在低频段,电源噪声主要靠电源转换芯片VRM来滤波。在几MHZ到几百MHZ的频段,电源噪声主要是由板级分立电容和PCB的电源地平面对来滤波。在高频部分,电源噪声主要是由PCB的电源地平面对和芯片内部的高频电容来滤波。我们在做仿真的时候,对低频和高频部分的仿真精度都还不准确,真正有意义的频段主要还是在几MHZ到几百MHZ这个频段。

大有彩票平台   该聊聊大家都很熟悉的目标阻抗Ztarget了。笔者认为,这个目标阻抗是电源完整性仿真里的一个有用但不精确的标准。

  其中:Ztarget目标阻抗

  PowerSupplyVoltage是工作电压

  AllowedRipple是允许的工作电压纹波系数

  Current是工作电流,目前这个值是用最大电流的1/2来替代。

  大家都知道,电源测试的时候,主要是测试纹波,噪声,但是业界目前还很难通过软件进行时域的纹波噪声仿真(一些大公司已经通过测试来建立芯片的噪声模型,然后用这个模型直接仿真,得到的结果就是电源噪声,但目前还处于探索阶段,没有推广使用),而是仿真电源分配系统的电源阻抗,他们的关系可以通过V=R/I来联系。因此如果还是仿真阻抗曲线的话,测试与仿真不能形成闭环。

  在衡量这个阻抗曲线是否能满足要求的时候,使用了这个目标阻抗的标准,但是仔细想想,这个标准还是有很多问题的,比如:这里的电流多大合适?实际的单板功耗是一个动态功耗,是不端的变的。在单板的整个频段范围里,使用统一的目标阻抗值,肯定也是不合理的,应该是各个频段,标准不一样。

大有彩票平台   虽然有这些问题存在,但这个标准还是很有用的,可以通过这个标准衡量电源平面的好坏。就如目前的时序计算,大家基本上都是通过公式对时序进行计算,就是所谓的静态时序分析。虽然这个静态时序分析对电源波动,ISI,SSN等问题考虑不周到,也就是说计算结果不准确,但用来衡量接口时序还是很有用的。因此笔者认为,目标阻抗是一个有用而不准确的标准。

  关于电容的资料很多,这里只做简单介绍,下次将介绍在PI仿真里面很重要的平面板电容。

  电容不仅仅是电容:在频率很高时,电容不能再被当作一个理想的电容看,而应该充分考虑到它的寄生参数效应,通常电容的寄生参数为ESR,ESL。串联的RLC电路在f处谐振。其曲线如下图。图中f为串联谐振频率(SRF),在f之前为容性,而在f之后,则为感性,相当一个电感,所以在选择滤波电容时,必须使电容器工作在谐振频率之前。

  图2电容器在高频时的曲线图

  在仿真的时候,由于目前VRM的模型基本上是不准确的,低频的滤波靠DC/DC电源转换芯片来完成,一般300K以下的低频阻抗曲线是不准确地。频率范围的上限一般取信号的截止频率fknee=0.35/Trrise,其中Trise为信号上升时间。

  但是也要明白一点,如果你只是做板级电源完整性仿真,最多考虑到1G就可以了,因为大于1G以后,要靠芯片内部的电容来滤波,在做板级仿真的时候,没有芯片内部的模型,所以高频部分的仿真也是不准确的。当然了,如果您有芯片内部的信息,也可以用SIWAVE等软件做DIE-PACKAGE-BOARD的协同仿真,高频部分也就准确了。

大有彩票平台   因此很多情况下,低频仿真不出电源负反馈、高频仿真不出芯片内电容,我们不要把仿真的结果当做绝对值,可以把它当作是相对值,通过去耦电容的选择和放置、电源和地平面的分割等方法来优化阻抗。祝愿各位在做仿真的时候能灵活运用。

  电源地平面可被当作一个平板电容器来对待,尤其在中低频时,其ESR、ESL都很小。在这种情况下,电源、地平面作为一个去耦电容,对RF能量的抑制具有电容器无可比拟的优越性,通常电容器在500MHz以上,由于分布参数的影响,已经失去作用,而电源、地平面帽100MHz以上直到GHz的范围内具有良好的去耦滤波特性。

  电源、地平面的电容粗略计算为:

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