PCB電源供電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

當(dāng)今，在沒有透徹掌握芯片、封裝結(jié)構(gòu)及PCB的電源供電系統(tǒng)特性時(shí)，高速電子系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是很難成功的。事實(shí)上，為了滿足更低的供電電壓、更快的信號(hào)翻轉(zhuǎn)速度、更高的集成度和許多越來(lái)越具有挑戰(zhàn)性的要求，很多走在電子設(shè)計(jì)前沿的公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中為了確保電源和信號(hào)的完整性，對(duì)電源供電系統(tǒng)的分析投入了大量的資金，人力和物力。

電源供電系統(tǒng)(PDS)的分析與設(shè)計(jì)在高速電路設(shè)計(jì)領(lǐng)域，特別是在計(jì)算機(jī)、半導(dǎo)體、通信、網(wǎng)絡(luò)和消費(fèi)電子產(chǎn)業(yè)中正變得越來(lái)越重要。隨著超大規(guī)模集成電路技術(shù)不可避免的進(jìn)一步等比縮小，集成電路的供電電壓將會(huì)持續(xù)降低。隨著越來(lái)越多的生產(chǎn)廠家從130nm技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm技術(shù)，可以預(yù)見供電電壓會(huì)降到1.2V，甚至更低，而同時(shí)電流也會(huì)顯著地增加。從直流IR壓降到交流動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)控制來(lái)看，由于允許的噪聲范圍越來(lái)越小，這種發(fā)展趨勢(shì)給電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。

PCB電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概覽

通常在交流分析中，電源地之間的輸入阻抗是用來(lái)衡量電源供電系統(tǒng)特性的一個(gè)重要的觀測(cè)量。對(duì)這個(gè)觀測(cè)量的確定在直流分析中則演變成為IR壓降的計(jì)算。無(wú)論在直流或交流的分析中，影響電源供電系統(tǒng)特性的因素有：PCB的分層、電源板層平面的形狀、元器件的布局、過(guò)孔和管腳的分布等等。

圖1：PCB上一些常見的會(huì)增加電流路徑阻性的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

電源地之間的輸入阻抗概念就可以應(yīng)用在對(duì)上述因素的仿真和分析中。比如，電源地輸入阻抗的一個(gè)非常廣泛的應(yīng)用是用來(lái)評(píng)估板上去耦電容的放置問(wèn)題。隨著一定數(shù)量的去耦電容被放置在板上，電路板本身特有的諧振可以被抑制掉，從而減少噪聲的產(chǎn)生，還可以降低電路板邊緣輻射以緩解電磁兼容問(wèn)題。為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性和降級(jí)系統(tǒng)的制造成本，系統(tǒng)設(shè)計(jì)工程師必須經(jīng)?？紤]如何經(jīng)濟(jì)有效地選擇去耦電容的系統(tǒng)布局。

高速電路系統(tǒng)中的電源供電系統(tǒng)通?？梢苑殖尚酒?、集成電路封裝結(jié)構(gòu)和PCB三個(gè)物理子系統(tǒng)。芯片上的電源柵格由交替放置的幾層金屬層構(gòu)成，每層金屬由X或Y方向的金屬細(xì)條構(gòu)成電源或地柵格，過(guò)孔則將不同層的金屬細(xì)條連接起來(lái)。

對(duì)于一些高性能的芯片，無(wú)論內(nèi)核或是IO的電源供電都集成了很多去耦單元。集成電路封裝結(jié)構(gòu)，如同一個(gè)縮小了的PCB，有幾層形狀復(fù)雜的電源或地平板。在封裝結(jié)構(gòu)的上表面，通常留有去耦電容的安裝位置。PCB則通常含有連續(xù)的面積較大的電源和地平板，以及一些大大小小的分立去耦電容元件，及電源整流模塊(VRM)。邦定線、C4凸點(diǎn)、焊球則把芯片、封裝和PCB連接在了一起。

整個(gè)電源供電系統(tǒng)要保證給各個(gè)集成電路器件提供在正常范圍內(nèi)穩(wěn)定的電壓。然而，開關(guān)電流和那些電源供電系統(tǒng)中寄生的高頻效應(yīng)總是會(huì)引入電壓噪聲。其電壓變化可以由下式計(jì)算得到：

這里ΔV是在器件處觀測(cè)到的電壓波動(dòng)，ΔI是開關(guān)電流。Z是在器件處觀測(cè)到的整個(gè)電源供電系統(tǒng)電源與地之間的輸入阻抗。為了減小電壓波動(dòng)，電源與地之間要保持低阻。在直流情況下，由于Z變成了純電阻，低阻就對(duì)應(yīng)了低的電源供電IR壓降。在交流情況下，低阻能使開關(guān)電流產(chǎn)生的瞬態(tài)噪聲也變小。當(dāng)然，這就需要Z在很寬的頻帶上都要保持很小。

圖2：Sigrity PowerDC計(jì)算得到電源板層上的電流分布。

注意到電源和地通常用來(lái)作為信號(hào)回路和參考平面，因此電源供電系統(tǒng)與信號(hào)分布系統(tǒng)之間有著很緊密的關(guān)系。然而，由于篇幅的限制，同步開關(guān)噪聲(IO SSO)引入的電源供電系統(tǒng)的噪聲現(xiàn)象和電流回路控制問(wèn)題將不在這里討論。以下幾節(jié)將忽略信號(hào)系統(tǒng)，而單純注重電源供電系統(tǒng)的分析。