CB电源供电系统的与设计

PCB电源供电系统的分析与设计陈宇哲副总裁Sigrity公司当今，在没有透彻掌握芯片、封装结构及PCB的电源供电系统特性时，高速电子系统的设计是很难成功的。事实上，为了满足更低的供电电压、更快的信号翻转速度、更高的集成度和许多越来越具有挑战性的要求，很多走在电子设计前沿的公司在产品设计过程中为了确保电源和信号的完整性，对电源供电系统的分析投入了大量的资金，人力和物力。电源供电系统(PDS)的分析与设计在高速电路设计领域，特别是在计算机、半导体、通信、网络和消费电子产业中正变得越来越重要。随着超大规模集成电路技术不可避免的进一步等比缩小，集成电路的供电电压将会持续降低。随着越来越多的生产厂家从130nm技术转向90nm技术，可以预见供电电压会降到1.2V，甚至更低，而同时电流也会显著地增加。从直流IR压降到交流动态电压波动控制来看，由于允许的噪声范围越来越小，这种发展趋势给电源供电系统的设计带来了巨大的挑战。PCB电源供电系统设计概览姓图1赶：P堡CB锁上一罩些常剑见的做会增渡加电摧流路吃径阻带性的拦物理殿结构悠设计牺。通常在交流分析中，电源地之间的输入阻抗是用来衡量电源供电系统特性的一个重要的观测量。对这个观测量的确定在直流分析中则演变成为IR压降的计算。无论在直流或交流的分析中，影响电源供电系统特性的因素有：PCB的分层、电源板层平面的形状、元器件的布局、过孔和管脚的分布等等。电源地之间的输入阻抗概念就可以应用在对上述因素的仿真和分析中。比如，电源地输入阻抗的一个非常广泛的应用是用来评估板上去耦电容的放置问题。随着一定数量的去耦电容被放置在板上，电路板本身特有的谐振可以被抑制掉，从而减少噪声的产生，还可以降低电路板边缘辐射以缓解电磁兼容问题。为了提高电源供电系统的可靠性和降级系统的制造成本，系统设计工程师必须经常考虑如何经济有效地选择去耦电容的系统布局。高速电路系统中的电源供电系统通常可以分成芯片、集成电路封装结构和PCB三个物理子系统。芯片上的电源栅格由交替放置的几层金属层构成，每层金属由X或Y方向的金属细条构成电源或地栅格，过孔则将不同层的金属细条连接起来。对于一些高性能的芯片，无论内核或是IO的电源供电都集成了很多去耦单元。集成电路封装结构，如同一个缩小了的PCB，有几层形状复杂的电源或地平板。在封装结构的上表面，通常留有去耦电容的安装位置。PCB则通常含有连续的面积较大的电源和地平板，以及一些大大小小的分立去耦电容元件，及电源整流模块(VRM)。邦定线、C4凸点、焊球则把芯片、封装和PCB连接在了一起。整个电源供电系统要保证给各个集成电路器件提供在正常范围内稳定的电压。然而，开关电流和那些电源供电系统中寄生的高频效应总是会引入电压噪声。其电压变化可以由下式计算得到：这里ΔV是在器件处观测到的电压波动，ΔI是开关电流。Z是在器件处观测到的整个电源供电系统电源与地之间的输入阻抗。为了减小电压波动，电源与地之间要保持低阻。在直流情况下，由于Z变成了纯电阻，低阻就对应了低的电源供电IR压降。在交流情况下，低阻能使开关电流产生的瞬态噪声也变小。当然，这就需要Z在很宽的频带上都要保持很小。界图2傻：S猴ig补ri黑ty善P更ow软er术DC赌计算导得到扬电源输板层服上的渔电流扩分布苹。注意到电源和地通常用来作为信号回路和参考平面，因此电源供电系统与信号分布系统之间有着很紧密的关系。然而，由于篇幅的限制，同步开关噪声(IOSSO)引入的电源供电系统的噪声现象和电流回路控制问题将不在这里讨论。以下几节将忽略信号系统，而单纯注重电源供电系统的分析。直流IR压降由于芯片的电源栅格(PowerGrid)的特征尺寸很小(几微米甚至更小)，芯片内的电阻损耗严重，因此芯片内的IR压降已经被广泛地研究。而在下面几种情况下，PCB上的IR压降(在几十到几百毫伏的范围内)对高速系统设计同样会有较大的影响。电源板层上有Swiss-Chess结构、Neck-Down结构和动态布线造成的板平面被分割等情况(图1)；电源板层上电流通过的器件管脚、过孔、焊球、C4凸点的数量不够，电源平板厚度不足，电流通路不均衡等；系统设计需要低电压、大电流，又有较紧的电压浮动的范围。葡图3角：包泉括和指不包里括电找源整简流模蔽块的默平板退对输衣入阻堪抗。例如，一个高密度和高管脚数的器件由于有大量的过孔和反焊盘，在芯片封装结构及PCB的电源分配层上往往会形成所谓的Swiss-Chess结构效应。Swiss-Chess结构会产生很多高阻性的微小金属区域。根据，由于电源供电系统中有这样的高阻电流通路，送到PCB上元器件的电压或电流有可能会低于设计要求。因此一个好的直流IR压降仿真模拟是估计电源供电系统允许压降范围的关键。通过各种各样可能性的分析为布局布线前后提供设计方案或规则。布线工程师、系统工程师、信号完整性工程师和电源设计工程师还可以将IR压降分析结合在约束管理器(constraintmanager)中，作为对PCB上每一个电源和地网表进行设计规则核查的最终检验工具(DRC)。这种通过自动化软件分析的设计流程可以避免靠目测，甚至经验所不能发现的复杂电源供电系统结构上的布局布线问题。图2展示了IR压降分析可以准确地指出一高性能PCB上电源供电系统中关键电压电流的分布。裳交流关电源钩地阻考抗分愤析洒很多弊人知招道一骆对金塑属板班构成捆一个匪平板面电容川器，廉于是巩认为赌电源款板层哪的特唇性就聚是提钥供平浙板电观容以巡确保成供电薄电压丙的稳勺定。礼在频竭率较旷低，锣信号凝波长复远远高大于匠平板榴尺寸养时，劣电源红板层曾与地它板的讲确构旧成了室一个膝电容户。产然而越，当辅频率卷升高浙时，手电源足板层隶的特坟性开切始变汉得复领杂了伞。更集确切愿地说败，一稠对平中板构泊成了绞一个次平板裁传输低线系甜统。阅电源疗与地支之间副的噪村声，症或与锻之对介应的聪电磁居场遵耻循传腿输线誓原理饼在板摩之间泉传播颂。当摘噪声贿信号乌传播混到平挥板的抚边缘刮时，屑一部奉分高饺频能骨量会断辐射夕出去奴，但婚更大悔一部秧分能榨量会倚反射恼回去暗。来杯自平蛮板不只同边缓界的名多重舍反射池构成原了验PC盲B中音的谐屿振现哲象。穷艘图4充：三衬种设排置情艺况下蜻Po徒we孟rS吐I计浇算得励到的宜PC荒B输井入阻脊抗曲什线。炒(a倚)不腿包含举电源让整流担模块坝；(赞b)湾包含暮电源学整流喝模块矮；(由c)炎包含贷电源坝整流趋模块楼和一火些去馒耦电肥容。骂在交消流分通析中签，袭PC税B的漫电源东地阻向抗谐恩振是呜个特北有的浴现象限。图福3展论示了本一对烈电源伐板层代的输变入阻纷抗。针为了帆比较参，图乡中还愈画了恨一个孤纯电页容和提一个愈纯电吊感的伶阻抗绝特性债。板垫的尺早寸是聪30斗cm呢×2熄0c扛m，居板间广间距误是1赔00暴um宽，填乌充介朵质是盛FR墓4材削料。缠板上斤的电邻源整吉流模车块用烧一个碎3n尿H的么电感弟来代支替。伴显示徒纯电柳容阻命抗特泰性的县是一呈个2证0n刃F的绘电容际。从具图上阀可以肠看出树，在谅板上敢没有寒电源挂整流该模块暑时，朱在几揪十兆偶的频缩率范妄围内基，平肿板的助阻抗石特性蜻(红来线)映和电撒容(闷蓝线巾)一哄样。崇在1俗00拜MH破z以复上，广平板时的阻翁抗特穗性呈草感性鹅(沿房着绿触线)慢。到壳了几别百兆绩的频薄率范诱围后胶，几裹个谐乎振峰击的出麻现显温示了殖平板牙的谐赌振特馒性，卖这时嘴平板申就不路再是络纯感梯性的幻了。黄液至此普，很晃明显冒，一冠个低拐阻的业电源晌供电非系统懂(从似直流疼到交术流)贿是获夺得低崭电压财波动龙的关昆键：意减少免电感突作用智，增企加电想容作纠用，椒消除打或降扛低那般些谐见振峰敲是设懂计目拘标。兼测为了国降低驼电源股供电镇系统龄的阻呢抗，棚应遵素循以止下一宾些设字计准搭则：帐1.仆降态低电察源和录地板程层之奔间的榴间距被；穗2.庭增饮大平扒板的塔尺寸若；悬3.叙提晶高填凝充介捞质的服介电捆常数厚；呜4.出采鹿用多握对电算源和控地板片层。营强然而蹦，由们于制重造或缠一些析其他富的设钟计考装虑，株设计柱工程故师还中需要旦用一贞些较妖为灵盐活的弓有效康的方插法来递改变坛电源伤供电竟系统依的阻酬抗。霸为了肢减小油阻抗侄并且返消除完那些熟谐振意峰，幕在怨PC眼B上炭放置害分立勾的去毫耦电默容便伤成为辣常用牌的方秧法。馆捷图焰4显狠示了蓄在三朝种不侍同设刻置下摘，用阅Si拢gr箱it拉y蕉Po搁we目rS丽I计碍算得吼到的悉电源披供电闹系统害的输府入阻灭抗：跌味a.述没检有电肆源整贩流模兆块，拳没有锤去耦踏电容案放置祖在板需上。祝菌b.晋电皂源整习流模蛾块用份短路跪来模稍拟，往没有折去耦兆电容痛放置宜在板衡上。爷唉c.绍电果源整碧流模速块用交短路泪来模鼓拟，邀去耦艳电容绝放置漂在板打上。倍烦从图关中可讨见，出例子坐a蓝吨线，加在集袖成电邻路芯惰片的器位置仁处观秤测到职的电牢源供寿电系慧统的禁输入但阻抗来在低辰频时赶呈现现出容质性。握随着有频率摔的增层加，诱第一题个自尾然谐菊振峰阅出现祥在8隆00谈MH鉴z的茫频率补处。菜此频飘率的题波长录正对淋应了沉电源雕地平返板的显尺寸桃。帆例子耍b的锅绿线仇，输社入阻欲抗在裳低频西时呈龟现出容感性酬。这祥正好污对应锡了从掏集成研电路敏芯片罢的位忆置到节电源质整流诸模块胜处的终环路织电感铜。这敏个环魂路电妹感和摧平板级电容有一起结引入灿了在心20思0M斗Hz折的谐熊振峰狱。索例子薯c的剩红线咬，在丽板上毛放置纽了一助些去迷耦电觉容后强，那振个2罩00症MH春z的箩谐振绘峰被远移到刷了很缴低的踏频率钢处(发<2刷0M灾Hz技)，丽并且叠谐振餐峰的恳峰值抄也降突低了踪很多含。第卖一个垃较强羡的谐孔振峰巨则出塌现在惠大约膏1G希Hz乌处。海由此博可见挽，通察过在佳PC饼B上币放置般分立鱼的去宜耦电覆容，膀电源社供电离系统宪在主坐要的腿工作冬频率色范围晴内可原以实俭现较述低的柄并且耽是平锄滑的赴交流唤阻抗渴响应策。因闸此，增电源衬供电泥系统刊的噪湾声也蚁会很朴低。口垒图5网：针遥对不适同结庄构仿柳真计漂算得睛到的但输入跌阻抗责。不裕考虑定芯片腰和封藏装结任构(所红线稿)；构考虑锻封装嚷结构碧(蓝旦线)允；考存虑芯往片、锦封装京和电哪路板拨(绿目线)水。专在板摆上放冻置分清立的蜂去耦掌电容值使得袖设计鱼师可逃以灵碌活地鹅调整花电源章供电岂系统术的阻林抗，键实现号较低嫁的电鞠源地怪噪声铁。然独而，希如何婆选择唤放置笑位置斥、选弯用多遮少以颠及选肤用什宅么样践的去捡耦电美容仍极旧是滔一系劣列的积设计鹅问题蹄。因阶此，较对一猛个特早定的陪设计梯寻求肥最佳服的去眯耦解微决方滩案，修并使舒用合艰适的喘设计默软件葱以及熄进行克大量趴的电贩源供睁电系厘统的宣仿真侍模拟泥往往絮是必柱须的盘。榴协同亮设计纯概念粘图贸4实封际上兵还揭亲示了问另一爆个非间常重荣要的温事实选，即铲PC批B上蚕放置轧分立吐的去泄耦电瞒容的愤作用致频率菠范围宾仅仅目能达辣到几泪百兆改赫兹法。频螺率再嫌高，银每个搭分立尚去耦挪电容若的寄姓生电拘感以沸及板域层和山过孔业的环叹路电桃感(启电容狮至芯拐片)严将会在极大夜地降具低去绣耦效毒果，障仅仅意通过责PC因B上兆放置滋分立编的去滴耦电总容是作无法田进一雷步降渗低电奇源供税电系谱统的欧输入箭阻抗参的。禽从几裙百兆蒙赫兹减到更摧高的窗频率尊范围榴，封棵装结垄构的普电源袖供电节系统欺的板威间电民容，似以及鱼封装预结构狐上放窑置的杨分立美去耦雷电容鹅将会魔开始降起作地用。限到了汉GH捡z频箭率范劝围，承芯片故内电漠源栅飞格之予间的悬电容鲁以及结芯片辱内的只去耦砌电容剂是唯本一的申去耦补解决鄙方案搜。司图恨5显贡示了投一个英例子稍，红直线是芽一个扮PC峰B上笔放置虑一些争分立仅的去际耦电抵容后会得到驴的输这入阻贴抗。杠第一封个谐炼振峰谜出现谢在6廊00灶MH举z到腿70逐0M来Hz慧。在绪考虑己了封崖装结榆构后遥，附展加的丹封装塔结构侨的电吊感将砍谐振进峰移捧到了压大约雪45蛾0M皂Hz危处，激见蓝鸦线。嫩在包叙括了备芯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