PCB電源供電系統(tǒng)分析與設(shè)計(jì)

直流IR壓降

由于芯片的電源柵格(Power Grid)的特征尺寸很小(幾微米甚至更小)，芯片內(nèi)的電阻損耗嚴(yán)重，因此芯片內(nèi)的IR壓降已經(jīng)被廣泛地研究。而在下面幾種情況下，PCB上的IR壓降(在幾十到幾百毫伏的范圍內(nèi))對(duì)高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)同樣會(huì)有較大的影響。

電源板層上有Swiss-Chess結(jié)構(gòu)、Neck-Down結(jié)構(gòu)和動(dòng)態(tài)布線造成的板平面被分割等情況(圖1);電源板層上電流通過(guò)的器件管腳、過(guò)孔、焊球、C4凸點(diǎn)的數(shù)量不夠，電源平板厚度不足，電流通路不均衡等;系統(tǒng)設(shè)計(jì)需要低電壓、大電流，又有較緊的電壓浮動(dòng)的范圍。

圖3：包括和不包括電源整流模塊的平板對(duì)輸入阻抗。

例如，一個(gè)高密度和高管腳數(shù)的器件由于有大量的過(guò)孔和反焊盤，在芯片封裝結(jié)構(gòu)及PCB的電源分配層上往往會(huì)形成所謂的Swiss-Chess結(jié)構(gòu)效應(yīng)。Swiss-Chess結(jié)構(gòu)會(huì)產(chǎn)生很多高阻性的微小金屬區(qū)域。根據(jù)

，由于電源供電系統(tǒng)中有這樣的高阻電流通路，送到PCB上元器件的電壓或電流有可能會(huì)低于設(shè)計(jì)要求。因此一個(gè)好的直流IR壓降仿真模擬是估計(jì)電源供電系統(tǒng)允許壓降范圍的關(guān)鍵。通過(guò)各種各樣可能性的分析為布局布線前后提供設(shè)計(jì)方案或規(guī)則。

布線工程師、系統(tǒng)工程師、信號(hào)完整性工程師和電源設(shè)計(jì)工程師還可以將IR壓降分析結(jié)合在約束管理器(constraint manager)中，作為對(duì)PCB上每一個(gè)電源和地網(wǎng)表進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則核查的最終檢驗(yàn)工具(DRC)。這種通過(guò)自動(dòng)化軟件分析的設(shè)計(jì)流程可以避免靠目測(cè)，甚至經(jīng)驗(yàn)所不能發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的布局布線問(wèn)題。圖2展示了IR壓降分析可以準(zhǔn)確地指出一高性能PCB上電源供電系統(tǒng)中關(guān)鍵電壓電流的分布。

交流電源地阻抗分析

很多人知道一對(duì)金屬板構(gòu)成一個(gè)平板電容器，于是認(rèn)為電源板層的特性就是提供平板電容以確保供電電壓的穩(wěn)定。在頻率較低，信號(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板尺寸時(shí)，電源板層與地板的確構(gòu)成了一個(gè)電容。

然而，當(dāng)頻率升高時(shí)，電源板層的特性開(kāi)始變得復(fù)雜了。更確切地說(shuō)，一對(duì)平板構(gòu)成了一個(gè)平板傳輸線系統(tǒng)。電源與地之間的噪聲，或與之對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)遵循傳輸線原理在板之間傳播。當(dāng)噪聲信號(hào)傳播到平板的邊緣時(shí)，一部分高頻能量會(huì)輻射出去，但更大一部分能量會(huì)反射回去。來(lái)自平板不同邊界的多重反射構(gòu)成了PCB中的諧振現(xiàn)象。

圖4：三種設(shè)置情況下 PowerSI計(jì)算得到的PCB輸入阻抗曲線。(a)不包含電源整流模塊;(b)包含電源整流模塊;(c)包含電源整流模塊和一些去耦電容。

在交流分析中，PCB的電源地阻抗諧振是個(gè)特有的現(xiàn)象。圖3展示了一對(duì)電源板層的輸入阻抗。為了比較，圖中還畫(huà)了一個(gè)純電容和一個(gè)純電感的阻抗特性。板的尺寸是30cm×20cm，板間間距是100um，填充介質(zhì)是FR4材料。板上的電源整流模塊用一個(gè)3nH的電感來(lái)代替。顯示純電容阻抗特性的是一個(gè)20nF的電容。從圖上可以看出，在板上沒(méi)有電源整流模塊時(shí)，在幾十兆的頻率范圍內(nèi)，平板的阻抗特性(紅線)和電容(藍(lán)線)一樣。在100MHz以上，平板的阻抗特性呈感性(沿著綠線)。到了幾百兆的頻率范圍后，幾個(gè)諧振峰的出現(xiàn)顯示了平板的諧振特性，這時(shí)平板就不再是純感性的了。

至此，很明顯，一個(gè)低阻的電源供電系統(tǒng)(從直流到交流)是獲得低電壓波動(dòng)的關(guān)鍵：減少電感作用，增加電容作用，消除或降低那些諧振峰是設(shè)計(jì)目標(biāo)。