核电厂安全级DCS系统的板级PI可行性方法研究

1、核电厂安全级dcs系统的板级pi可行性 方法研究陈立刘明星秦官学马权中国核动力研究设计院摘要：板级pi仿真分析是保证印制电路板电源完整性(pi)的重要方法，在当今电子 行业中，其已得到广泛应用。本文深入分析电源噪声形成机理及解决方法，通过 理论分析应用去耦电容的特性实现板级电源完整性的可行性。并通过对核电厂安 全级dcs系统进行板级pi仿真分析，以实际案例验证了板级pi可行性方法的正 确性。同时，通过板级pi仿真分析进一步达到优化去耦电容方案的目的。该板 级pi可行性方法已在naspic平台上得到广泛使用，有效保证了 naspic平台安 全、可靠地运行。关键词：电源噪声;电源完整性;去耦电容;

2、板级pi仿真分析;作者简介：陈立(1988-),男，四川内江人，学士，从事核电厂安全级dcs系 统硬件开发。收稿日期:2017-08-30the research on board-level pifeasibility method of nuclear advanced safety platform of dcschen li liu mingxing qin guanxue ma quonnuclear power institute of china;abstract：the board-level pi simulation is an important method to en

3、sure the power integrity (pi) of printed-circuit board, it has be widely used in today，s electronics.this paper deeply analysis the formation mechanism and solution of power noise, through analysis the feasibi1ity of using the characteristics of dccoupling capacitor to achieve board-level power inte

4、grity based on theory. through the board-level pi simulation analysis about nuclear advanced safety platform of dcs, it validates the accuracy of the board-level pi feasibility method based on actual case. moreover, it further achieve the aim of optimizing the program of decoupling through the board

5、-level pi simulation analysis, the method of the board-level pi feasibility method has a wide use in nasp1c platform, it ensures the safe and reliable operation of naspic platform.keyword：power noise; power integrity; decoupling capacitor; boardtevel pt simulation analysis;received： 2017-08-300引言安全级

6、dcs系统是核电厂的重要组成部分，为核电厂的安全运行提供保驾护航。 该系统一旦发生故障就可能会造成人员和财产的重大损失，甚至生态环境的巨 大破坏。因此，保证该系统运行的可靠性与安全性是非常重要的。本文针对核电厂安全级dcs系统的pcb,釆用理论分析和实际仿真分析相结合的 分析方法，通过研究电源噪声形成的根木原因，找到控制电源噪声的可行性方 法，并通过实际的板级pi仿真分析来改善印制电路板的电源分配系统，提高产 品可靠性。1电源噪声形成机理及解决方法电源完整性就是电源能够为所有功能器件提供稳定的电压参考和足够的驱动电 流11丄。因电源、电源/地平面和功能器件组成的电源分配系统存在寄生电容、寄 生

7、电感、寄生电阻等寄生参数，整个电源分配系统的阻抗不为零rl根据欧姆 定律，当电流从电源流出，经过电源分配网络到达芯片端时，就会造成电源端 和芯片端之间有一定的直流压降和电压摆动，形成电源噪声。如果芯片端的电源噪声过大，会影响芯片的正常工作，甚至导致烧损芯片。因此, 大部分数字电路器件要求电源波动范围为正常电压的土5%。为了给功能器件提供 稳定的电压和足够的电流，保证电源分配系统有足够低的阻抗是唯一的方法。将电源分配系统需要满足的最低要求阻抗称之为目标阻抗z,其定义为对于必须将电压波动控制在一定范围内的电源分配系统设计，就需要保证整个 电源分配系统的阻抗低于目标阻抗。高速数字信号可以通过傅里叶展

8、开为如下等式其中，色为信号的直流分量，ancos (n(x)ot) +bnsin (not)为信号的谐波分量。可见高速数字信号屮有很多高频谐波成分，并且电源分配网络需要给各种功能 器件供电，这就要求电源分配系统的阻抗在各个频率点都要得到控制。设计一个 能够在各个频率下都能提供足够低的阻抗的电源分配系统，就是电源分配系统 设计的目标。电源分配系统的阻抗计算公式其中，l和c为该系统的电感和电容，根据阻抗的计算公式可以看出，为了降低 电源分配系统的目标阻抗就需要提高系统的电容和减小系统的电感3。在电源分配系统中，因电源/地平面的单位平面电容、芯片封装电容以及芯片内 部电容都为皮法级的电容，这些电容对

9、电源分配系统的纹波控制作用在400m11z 以上。当整个电源分配系统确定后，通过调节电源分配系统的相关参数来降低系 统的目标阻抗不能满足设计的要求。最有效的方法是在电源分配系统中大量使用 去耦电容，使全局性设计问题简化为局部性设计问题1。2去耦电容去耦电容对电源分配系统主要起到储能和降低电源分配系统阻抗的作用。本节将 从这两个方面深入分析去耦电容的作用。2.1储能带有去耦电容的电源分配系统简化结构如图1所示。当负载电流不变时，其电流i由电源模块提供，此时电容与负载芯片的两端电 压保持一致，电流lc为0。当负载电流发生瞬态变化时，由于负载芯片内部品体 管电平变化很快，电源模块不能在极短的时间内向

10、负载芯片提供足够的电流111。这就使负载芯片两端电压降低，同时，去耦电容两端电压也会产牛变化， 电容两端电压的变化必然会产生电流，电流h不再为oo此时电容为负载芯片提 供屯流，其电流大小与屯容的关系为图 1 电源分配系统简化结构 fig. 1 simple structure of power distribution network下载原图从公式（4）中可以看出，只要电容量c足够大，即使电压变化很小，电容都可 以提供足够大的电流，满足负载芯片瞬态电流的要求，保证负载芯片两端电压 在允许的范围内变化，这就是电容的储能功能电容的储能功能能及时补充 负载芯片快速动作所消耗的能量，确保了负载芯片两端

11、电压的变化不会过大。2.2阻抗特性对于高速电路的电源分配系统设计，需要更加详细地了解电容特性。由于制造工 艺和封装的原因，电容上都会或多或少地有等效电感esl和等效电阻esr,其实 际模型如图2所示。在高频的情况下，电容的这些等效参数表现的就很明显，不 能忽略其影响。因此，为了更好地使用电容去进行电源去耦，必须对实际电容的 频率特性进行详细地了解。图2实际电容模型fig. 2 actual capacitance model 下载原图对于图2的电容模型，其实际的阻抗为当频率很低时，2兀fesl远小于 ，电容主要体现为容抗，电容阻抗幅度 随频率增高而降低l,4o 12 nf c,电容主要体现为感

12、抗，电容阻抗幅度当频率很高时，2兀fesl远大于 随频率增高而增大ll41。当 时，容抗与感抗相互抵消，此时电容阻抗为esr,电容的阻抗最小, 该频率就是电容的固有谐振频率1, 4。例如，0603封装0. 1 uf电容的阻抗特性如图3所示，其谐振频率为17. 5mhzo 在电容的谐振频率点附近，其具有较低的阻抗，具有很好的去耦作用，就是利 用电容的这个特点来选择电容进行电源去耦。在高速电路的电源分配系统设计中，一般采用不同容值的电容和数量适当配比， 使得去耦网络能够在很宽的频率范围内保持较低的阻抗值，如图4所示。其中黑 色为总的去耦网络的阻抗特性曲线，其他为单个容值电容的阻抗特性曲线。2.3去

13、耦电容方案对于应用去耦电容实现板级电源完整性，首先需要对初始的电源分配系统进行 pi仿真，通过pi仿真，得到整个电源分配系统存在阻抗超出目标阻抗的位置以 及对应的频率点。利用去耦电容在其固有谐振频率点阻抗最低的特性，在电源分 配系统阻抗超标的位置添加一些固有谐振频率点与超标的频率点相同的去耦电 容，以达到降低电源分配系统在该处阻抗的目的。3 pi仿真分析cadence公司的cadence sigrity仿真软件提供了 pi仿真分析解决方案，其可 以从频域、吋域、直流3个角度去仿真分析电源分配系统的性能，能够精确定位 到电源分配系统性能不满足要求的位置，并且仿真出来的实际值精度与实际测 试结果基

14、本吻合。本文通过对核安全级dcs系统的主控模块进行电源分配系统阻 抗仿真分析，解决传统pcb设计方法中电源分配系统阻抗不满足要求的问题。首先，对原始的核安全级dcs系统的主控模块进行+3. 3v电源分配系统阻抗仿真 分析，扫描频率范围为0hz2ghz,经阻抗仿真得到原始的电源分配系统阻抗曲 线，如图5所示。从图5中可以看出，根据原理图设计和工程师的设计经验进行电源分配系统设 计，并不能满足电源分配系统的低阻抗要求，在某些芯片位置，存在特定频率 点的谐振。如果芯片工作频率位于这些谐振频率点，就会造成芯片供电电压压降, 如果电压压降超出芯片电源电压的允许波动范围，会造成芯片工作不正常。为了抑制+3

15、.3v电源分配系统在这些芯片位置处岀现的谐振，根据谐振频率值， 考虑在这些芯片位置放置几个in f和10n f的电容，重新进行+3. 3v电源分配 系统阻抗仿真分析，得到如图6所示的优化后阻抗曲线。从图6中可以看岀：在 添加电容后，+3. 3v电源分配系统在1ghz以下比较明显的谐振频率点处的阻抗 有很明显地改善，满足对电源分配系统的低阻抗要求。图 3 电容的阻抗特性 fig. 3 impedance characteristic of capacitor 下 载原图图4不同容值电容并联的阻抗特性fig. 4 impedance characteristic of parallel capac

16、itors with different capacity下载原图图5原始的电源分配系统阻抗曲线fig. 5 original impedance curve of power distribution network下载原图图6优化后的电源分配系统阻抗曲线fig. 6 optimized impedance curve of power dis trib ution net work下载原图图 7 去耦电容优化方案 fig. 7 optimization solution of decoupl ing capacitor下载原图图8电容方案清单fig. 8 list of capacitor

17、 program 下载原图图9电容方案报表fig. 9 statement of capacitor program 下载原图4去耦电容的优化随着设计变得越来越复杂和芯片工作频率越来越高，电容的容值、位置和数量的 选择往往超出了设计者的设计经验。cadence sigrity仿真软件下面的optimize pi仿真工具为设计者提供了去耦电容的完美解决方案，在不改变电容放置位置 的前提下，考虑在某位置不放电容或放置不同容值的电容，得到不同的优化结 果，设计者据此可在空间、数量和性能之间做出权衡。根据4. 2节优化完成的主控模块，利用optimize pi仿真工具进行去耦电容优化 仿真，得到如图7

18、所示的去耦电容优化方案。左下角为仿真结果方案列表，每个 方案都包含独特的电容选择，可以点击一个方案，在右边查看该方案对应的性 能vs.成本图和阻抗vs.频率曲线图。综合考虑各方案的电源性能，得到最优的去耦电容方案3。根据所选方案，导出 方案数据，得到如图8和图9的电容方案清单和电容方案报表。根据图8和图9,可以得到方案3所放电容的位置和各位置对应的电容容值，据此可以优化主 控模块上的去耦电容，使电源分配系统的性能达到最佳。5结论通过对电源噪声形成机理的研究，推论出解决电源噪声的理论方法，为板级pi 仿真分析奠定了理论基础。针对核电厂安全级dcs系统进行板级pi仿真分析，验 证了利用去耦电容实现电源完整性的可行性，满足了该系统对其印制电路板的 电源完整性要求。同时，通过pi仿真分析，可以达到优化去耦电容方案的目的。利用去耦电容实现电源完整性的方法经过在naspic平台上