PCB電源供電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

當(dāng)今，在沒(méi)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(jiàn)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。

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)通常可以分成芯片、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(kāi)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(kāi)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(kāi)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。

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(kāi)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。

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。

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(pán)，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。

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)。

為了降低電源供電系統(tǒng)的阻抗，應(yīng)遵循以下一些設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：

1. 降低電源和地板層之間的間距；

2. 增大平板的尺寸；

3. 提高填充介質(zhì)的介電常數(shù)；

4. 采用多對(duì)電源和地板層。

然而，由于制造或一些其他的設(shè)計(jì)考慮，設(shè)計(jì)工程師還需要用一些較為靈活的有效的方法來(lái)改變電源供電系統(tǒng)的阻抗。為了減小阻抗并且消除那些諧振峰，在pcb上放置分立的去耦電容便成為常用的方法。

圖4顯示了在三種不同設(shè)置下，用sigrity powersi計(jì)算得到的電源供電系統(tǒng)的輸入阻抗：

a. 沒(méi)有電源整流模塊，沒(méi)有去耦電容放置在板上。

b. 電源整流模塊用短路來(lái)模擬，沒(méi)有去耦電容放置在板上。

c. 電源整流模塊用短路來(lái)模擬，去耦電容放置在板上。

從圖中可見(jiàn)，例子a藍(lán)線，在集成電路芯片的位置處觀測(cè)到的電源供電系統(tǒng)的輸入阻抗在低頻時(shí)呈現(xiàn)出容性。隨著頻率的增加，第一個(gè)自然諧振峰出現(xiàn)在800mhz的頻率處。此頻率的波長(zhǎng)正對(duì)應(yīng)了電源地平板的尺寸。

例子b的綠線，輸入阻抗在低頻時(shí)呈現(xiàn)出感性。這正好對(duì)應(yīng)了從集成電路芯片的位置到電源整流模塊處的環(huán)路電感。這個(gè)環(huán)路電感和平板電容一起引入了在200mhz的諧振峰。

例子c的紅線，在板上放置了一些去耦電容后，那個(gè)200mhz的諧振峰被移到了很低的頻率處(<20mhz)，并且諧振峰的峰值也降低了很多。第一個(gè)較強(qiáng)的諧振峰則出現(xiàn)在大約1ghz處。由此可見(jiàn)，通過(guò)在pcb上放置分立的去耦電容，電源供電系統(tǒng)在主要的工作頻率范圍內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)較低的并且是平滑的交流阻抗響應(yīng)。因此，電源供電系統(tǒng)的噪聲也會(huì)很低。

在板上放置分立的去耦電容使得設(shè)計(jì)師可以靈活地調(diào)整電源供電系統(tǒng)的阻抗，實(shí)現(xiàn)較低的電源地噪聲。然而，如何選擇放置位置、選用多少以及選用什么樣的去耦電容仍舊是一系列的設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此，對(duì)一個(gè)特定的設(shè)計(jì)尋求最佳的去耦解決方案，并使用合適的設(shè)計(jì)軟件以及進(jìn)行大量的電源供電系統(tǒng)的仿真模擬往往是必須的。

協(xié)同設(shè)計(jì)概念

圖4實(shí)際上還揭示了另一個(gè)非常重要的事實(shí)，即pcb上放置分立的去耦電容的作用頻率范圍僅僅能達(dá)到幾百兆赫茲。頻率再高，每個(gè)分立去耦電容的寄生電感以及板層和過(guò)孔的環(huán)路電感(電容至芯片)將會(huì)極大地降低去耦效果，僅僅通過(guò)pcb上放置分立的去耦電容是無(wú)法進(jìn)一步降低電源供電系統(tǒng)的輸入阻抗的。從幾百兆赫茲到更高的頻率范圍，封裝結(jié)構(gòu)的電源供電系統(tǒng)的板間電容，以及封裝結(jié)構(gòu)上放置的分立去耦電容將會(huì)開(kāi)始起作用。到了ghz頻率范圍，芯片內(nèi)電源柵格之間的電容以及芯片內(nèi)的去耦電容是唯一的去耦解決方案。

圖5顯示了一個(gè)例子，紅線是一個(gè)pcb上放置一些分立的去耦電容后得到的輸入阻抗。第一個(gè)諧振峰出現(xiàn)在600mhz到700mhz。在考慮了封裝結(jié)構(gòu)后，附加的封裝結(jié)構(gòu)的電感將諧振峰移到了大約450mhz處，見(jiàn)藍(lán)線。在包括了芯片電源供電系統(tǒng)后，芯片內(nèi)的去耦電容將那些高頻的諧振峰都去掉了，但同時(shí)卻引入了一個(gè)很弱的30mhz諧振峰，見(jiàn)綠線。這個(gè)30mhz的諧振在時(shí)域中會(huì)體現(xiàn)為高頻翻轉(zhuǎn)信號(hào)的中頻包絡(luò)上的一個(gè)電壓波谷。

芯片內(nèi)的去耦是很有效的，但代價(jià)卻是要用去芯片內(nèi)寶貴的空間和消耗更多的漏電流。將芯片內(nèi)的去耦電容挪到封裝結(jié)構(gòu)上也許是一個(gè)很好的折衷方案，但要求設(shè)計(jì)師擁有從芯片、封裝結(jié)構(gòu)到pcb的整個(gè)系統(tǒng)的知識(shí)。但通常，pcb的設(shè)計(jì)師無(wú)法獲得芯片和封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)以及相應(yīng)的仿真軟件包。對(duì)于集成電路設(shè)計(jì)師，他們通常不關(guān)心下端的封裝和電路板的設(shè)計(jì)。但顯然采用協(xié)同設(shè)計(jì)概念對(duì)整個(gè)系統(tǒng)、芯片-封裝-電路板的電源供電系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化分析設(shè)計(jì)是將來(lái)發(fā)展的趨勢(shì)。一些走在電子設(shè)計(jì)前沿的公司事實(shí)上已經(jīng)這樣做了。