CB電源供電系統(tǒng)的與設(shè)計

PCB電源供電系統(tǒng)的分析與設(shè)計陳宇哲副總裁Sigrity公司當(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，高速電子系統(tǒng)的設(shè)計是很難成功的。事實上，為了滿足更低的供電電壓、更快的信號翻轉(zhuǎn)速度、更高的集成度和許多越來越具有挑戰(zhàn)性的要求，很多走在電子設(shè)計前沿的公司在產(chǎn)品設(shè)計過程中為了確保電源和信號的完整性，對電源供電系統(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)計在高速電路設(shè)計領(lǐng)域，特別是在計算機、半導(dǎo)體、通信、網(wǎng)絡(luò)和消費電子產(chǎn)業(yè)中正變得越來越重要。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持續(xù)降低。隨著越來越多的生產(chǎn)廠家從130nm技術(shù)轉(zhuǎn)向90nm技術(shù)，可以預(yù)見供電電壓會降到1.2V，甚至更低，而同時電流也會顯著地增加。從直流IR壓降到交流動態(tài)電壓波動控制來看，由于允許的噪聲范圍越來越小，這種發(fā)展趨勢給電源供電系統(tǒng)的設(shè)計帶來了巨大的挑戰(zhàn)。PCB電源供電系統(tǒng)設(shè)計概覽姓圖1趕：P堡CB鎖上一罩些常劍見的做會增渡加電摧流路吃徑阻帶性的攔物理殿結(jié)構(gòu)悠設(shè)計犧。通常在交流分析中，電源地之間的輸入阻抗是用來衡量電源供電系統(tǒng)特性的一個重要的觀測量。對這個觀測量的確定在直流分析中則演變成為IR壓降的計算。無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)用在對上述因素的仿真和分析中。比如，電源地輸入阻抗的一個非常廣泛的應(yīng)用是用來評估板上去耦電容的放置問題。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題。為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性和降級系統(tǒng)的制造成本，系統(tǒng)設(shè)計工程師必須經(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，過孔則將不同層的金屬細(xì)條連接起來。對于一些高性能的芯片，無論內(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、焊球則把芯片、封裝和PCB連接在了一起。整個電源供電系統(tǒng)要保證給各個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)總是會引入電壓噪聲。其電壓變化可以由下式計算得到：這里ΔV是在器件處觀測到的電壓波動，ΔI是開關(guān)電流。Z是在器件處觀測到的整個電源供電系統(tǒng)電源與地之間的輸入阻抗。為了減小電壓波動，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。界圖2傻：S猴ig補ri黑ty善P更ow軟er術(shù)DC賭計算導(dǎo)得到揚電源輸板層服上的漁電流擴分布蘋。注意到電源和地通常用來作為信號回路和參考平面，因此電源供電系統(tǒng)與信號分布系統(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(IOSSO)引入的電源供電系統(tǒng)的噪聲現(xiàn)象和電流回路控制問題將不在這里討論。以下幾節(jié)將忽略信號系統(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(PowerGrid)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))對高速系統(tǒng)設(shè)計同樣會有較大的影響。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的器件管腳、過孔、焊球、C4凸點的數(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)計需要低電壓、大電流，又有較緊的電壓浮動的范圍。葡圖3角：包泉括和指不包里括電找源整簡流模蔽塊的默平板退對輸衣入阻堪抗。例如，一個高密度和高管腳數(shù)的器件由于有大量的過孔和反焊盤，在芯片封裝結(jié)構(gòu)及PCB的電源分配層上往往會形成所謂的Swiss-Chess結(jié)構(gòu)效應(yīng)。Swiss-Chess結(jié)構(gòu)會產(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低于設(shè)計要求。因此一個好的直流IR壓降仿真模擬是估計電源供電系統(tǒng)允許壓降范圍的關(guān)鍵。通過各種各樣可能性的分析為布局布線前后提供設(shè)計方案或規(guī)則。布線工程師、系統(tǒng)工程師、信號完整性工程師和電源設(shè)計工程師還可以將IR壓降分析結(jié)合在約束管理器(constraintmanager)中，作為對PCB上每一個電源和地網(wǎng)表進(jìn)行設(shè)計規(guī)則核查的最終檢驗工具(DRC)。這種通過自動化軟件分析的設(shè)計流程可以避免靠目測，甚至經(jīng)驗所不能發(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。裳交流關(guān)電源鉤地阻考抗分憤析灑很多弊人知招道一駱對金塑屬板班構(gòu)成捆一個匪平板面電容川器，廉于是鞏認(rèn)為賭電源款板層哪的特唇性就聚是提鑰供平浙板電觀容以巡確保成供電薄電壓丙的穩(wěn)勺定。禮在頻竭率較曠低，鑼信號凝波長復(fù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)高大于匠平板榴尺寸養(yǎng)時，劣電源紅板層曾與地它板的講確構(gòu)舊成了室一個膝電容戶。產(chǎn)然而越，當(dāng)輔頻率卷升高浙時，手電源足板層隸的特墳性開切始變漢得復(fù)領(lǐng)雜了傘。更集確切愿地說敗，一稠對平中板構(gòu)泊成了絞一個次平板裁傳輸?shù)途€系甜統(tǒng)。閱電源療與地支之間副的噪村聲，癥或與鍛之對介應(yīng)的聰電磁居場遵恥循傳腿輸線誓原理餅在板摩之間泉傳播頌。當(dāng)摘噪聲賄信號烏傳播混到平揮板的撫邊緣刮時，屑一部奉分高餃頻能骨量會斷輻射夕出去奴，但婚更大悔一部秧分能榨量會倚反射惱回去暗。來杯自平蠻板不只同邊緩界的名多重舍反射池構(gòu)成原了驗PC盲B中音的諧嶼振現(xiàn)哲象。窮艘圖4充：三襯種設(shè)排置情藝況下蜻Po徒we孟rS吐I計澆算得勵到的宜PC荒B輸井入阻脊抗曲什線。炒(a倚)不腿包含舉電源讓整流擔(dān)模塊壩；(贊b)灣包含暮電源學(xué)整流喝模塊矮；(由c)炎包含貸電源壩整流趨模塊樓和一火些去饅耦電肥容。罵在交消流分通析中簽，襲PC稅B的漫電源東地阻向抗諧恩振是嗚個特北有的浴現(xiàn)象限。圖福3展論示了本一對烈電源伐板層代的輸變?nèi)胱杓娍?。針為了帆比較參，圖鄉(xiāng)中還愈畫了恨一個孤純電頁容和提一個愈純電吊感的伶阻抗絕特性債。板墊的尺早寸是聰30斗cm呢×2熄0c扛m，居板間廣間距誤是1賠00暴um寬，填烏充介朵質(zhì)是盛FR墓4材削料。纏板上斤的電鄰源整吉流模車塊用燒一個碎3n尿H的么電感弟來代支替。伴顯示徒純電柳容阻命抗特泰性的縣是一呈個2證0n刃F的繪電容際。從具圖上閥可以腸看出樹，在諒板上敢沒有寒電源掛整流該模塊暑時，朱在幾揪十兆偶的頻縮率范妄圍內(nèi)基，平腫板的助阻抗石特性蜻(紅來線)映和電撒容(悶藍(lán)線巾)一哄樣。崇在1俗00拜MH破z以復(fù)上，廣平板時的阻翁抗特穗性呈草感性鵝(沿房著綠觸線)慢。到殼了幾別百兆績的頻薄率范誘圍后膠，幾裹個諧乎振峰擊的出麻現(xiàn)顯溫示了殖平板牙的諧賭振特饅性，賣這時嘴平板申就不路再是絡(luò)純感梯性的幻了。黃液至此普，很晃明顯冒，一冠個低拐阻的業(yè)電源晌供電非系統(tǒng)懂(從似直流疼到交術(shù)流)賄是獲奪得低嶄電壓財波動龍的關(guān)昆鍵：意減少免電感突作用智，增企加電想容作糾用，椒消除打或降扛低那般些諧見振峰敲是設(shè)懂計目拘標(biāo)。兼測為了國降低駝電源股供電鎮(zhèn)系統(tǒng)齡的阻呢抗，棚應(yīng)遵素循以止下一賓些設(shè)字計準(zhǔn)搭則：帳1.仆降態(tài)低電察源和錄地板程層之奔間的榴間距被；穗2.庭增飲大平扒板的塔尺寸若；懸3.敘提晶高填凝充介撈質(zhì)的服介電捆常數(shù)厚；嗚4.出采鹿用多握對電算源和控地板片層。營強然而蹦，由們于制重造或纏一些析其他富的設(shè)鐘計考裝慮，株設(shè)計柱工程故師還中需要旦用一貞些較妖為靈鹽活的弓有效康的方插法來遞改變壇電源傷供電竟系統(tǒng)依的阻酬抗。霸為了肢減小油阻抗侄并且返消除完那些熟諧振意峰，幕在怨PC眼B上炭放置害分立勾的去毫耦電默容便傷成為辣常用牌的方秧法。館捷圖焰4顯狠示了蓄在三朝種不侍同設(shè)刻置下摘，用閱Si攏gr箱it拉y蕉Po擱we目rS麗I計礙算得吼到的悉電源披供電鬧系統(tǒng)害的輸府入阻滅抗：跌味a.述沒檢有電肆源整販流模兆塊，拳沒有錘去耦踏電容案放置祖在板需上。祝菌b.晉電皂源整習(xí)流模蛾塊用份短路跪來模稍擬，往沒有折去耦兆電容痛放置宜在板衡上。爺唉c.紹電果源整碧流模速塊用交短路淚來模鼓擬，邀去耦艷電容絕放置漂在板打上。倍煩從圖關(guān)中可討見，出例子坐a藍(lán)噸線，加在集袖成電鄰路芯惰片的器位置仁處觀秤測到職的電牢源供壽電系慧統(tǒng)的禁輸入但阻抗來在低辰頻時趕呈現(xiàn)現(xiàn)出容質(zhì)性。握隨著有頻率摔的增層加，誘第一題個自尾然諧菊振峰閱出現(xiàn)祥在8隆00談MH鑒z的茫頻率補處。菜此頻飄率的題波長錄正對淋應(yīng)了沉電源雕地平返板的顯尺寸桃。帆例子耍b的鍋綠線仇，輸社入阻欲抗在裳低頻西時呈龜現(xiàn)出容感性酬。這祥正好污對應(yīng)錫了從掏集成研電路敏芯片罷的位憶置到節(jié)電源質(zhì)整流諸模塊勝處的終環(huán)路織電感銅。這敏個環(huán)魂路電妹感和摧平板級電容有一起結(jié)引入燦了在心20思0M斗Hz折的諧熊振峰獄。索例子薯c的剩紅線咬，在麗板上毛放置紐了一助些去迷耦電覺容后強，那振個2罩00癥MH春z的籮諧振繪峰被遠(yuǎn)移到刷了很繳低的踏頻率鋼處(發(fā)<2刷0M災(zāi)Hz技)，麗并且疊諧振餐峰的懇峰值抄也降突低了蹤很多含。第賣一個垃較強羨的諧孔振峰巨則出塌現(xiàn)在惠大約膏1G希Hz烏處。海由此博可見挽，通察過在佳PC餅B上幣放置般分立魚的去宜耦電覆容，膀電源社供電離系統(tǒng)憲在主坐要的腿工作冬頻率色范圍晴內(nèi)可原以實儉現(xiàn)較述低的柄并且耽是平鋤滑的赴交流喚阻抗渴響應(yīng)策。因閘此，增電源襯供電泥系統(tǒng)刊的噪灣聲也蟻會很樸低?？趬緢D5網(wǎng)：針遙對不適同結(jié)莊構(gòu)仿柳真計漂算得睛到的但輸入跌阻抗責(zé)。不裕考慮定芯片腰和封藏裝結(jié)任構(gòu)(所紅線稿)；構(gòu)考慮鍛封裝嚷結(jié)構(gòu)碧(藍(lán)旦線)允；考存慮芯往片、錦封裝京和電哪路板撥(綠目線)水。專在板擺上放凍置分清立的蜂去耦掌電容值使得袖設(shè)計魚師可逃以靈碌活地鵝調(diào)整花電源章供電豈系統(tǒng)術(shù)的阻林抗，鍵實現(xiàn)號較低嫁的電鞠源地怪噪聲鐵。然獨而，希如何婆選擇喚放置笑位置斥、選彎用多遮少以顛及選膚用什宅么樣踐的去撿耦電美容仍極舊是滔一系劣列的積設(shè)計鵝問題蹄。因階此，較對一猛個特早定的陪設(shè)計梯尋求肥最佳服的去瞇耦解微決方灘案，修并使舒用合艱適的喘設(shè)計默軟件蔥以及熄進(jìn)行克大量趴的電販源供睜電系厘統(tǒng)的宣仿真侍模擬泥往往絮是必柱須的盤。榴協(xié)同亮設(shè)計純概念粘圖貿(mào)4實封際上兵還揭親示了問另一爆個非間常重榮要的溫事實選，即鏟PC批B上蠶放置軋分立吐的去泄耦電瞞容的憤作用致頻率菠范圍賓僅僅目能達(dá)辣到幾淚百兆改赫茲法。頻螺率再嫌高，銀每個搭分立尚去耦挪電容若的寄姓生電拘感以沸及板域?qū)雍蜕竭^孔業(yè)的環(huán)嘆路電桃感(啟電容獅至芯拐片)嚴(yán)將會在極大夜地降具低去繡耦效毒果，障僅僅意通過責(zé)PC因B上兆放置滋分立編的去滴耦電總?cè)菔亲鳠o法田進(jìn)一雷步降滲低電奇源供稅電系譜統(tǒng)的歐輸入箭阻抗參的。禽從幾裙百兆蒙赫茲減到更摧高的窗頻率尊范圍榴，封棵裝結(jié)壟構(gòu)的普電源袖供電節(jié)系統(tǒng)欺的板威間電民容，似以及魚封裝預(yù)結(jié)構(gòu)狐上放窯置的楊分立美去耦雷電容鵝將會魔開始降起作地用。限到了漢GH撿z頻箭率范勸圍，承芯片故內(nèi)電漠源柵飛格之予間的懸電容魯以及結(jié)芯片辱內(nèi)的只去耦砌電容劑是唯本一的申去耦補解決鄙方案搜。司圖恨5顯貢示了投一個英例子稍，紅直線是芽一個扮PC峰B上筆放置慮一些爭分立僅的去際耦電抵容后會得到驢的輸這入阻貼抗。杠第一封個諧煉振峰謎出現(xiàn)謝在6廊00灶MH舉z到腿70逐0M來Hz慧。在緒考慮己了封崖裝結(jié)榆構(gòu)后遙，附展加的丹封裝塔結(jié)構(gòu)僑的電吊感將砍諧振進(jìn)峰移捧到了壓大約雪45蛾0M皂Hz危處，激見藍(lán)鴉線。嫩在包敘括了備芯片循電源炊供電它系統(tǒng)腹后，爸芯片恐內(nèi)的略去耦偵電容捷將那策些高初頻的猜諧振跨峰都顆去掉頑了，竿但同帆時卻朝引入志了一鞭個很息弱的伸30豪MH獻(xiàn)z諧庸振峰矛，見獻(xiàn)綠線吵。這役個3飯0M方Hz步的諧看振在腹時域逢中會練體現(xiàn)肺為高艇頻翻尊轉(zhuǎn)信糟號的知中頻揪包絡(luò)斜上的畢一個宮電壓碰波谷集。屠芯片劈內(nèi)的謊去耦伯是很焰有效簽的，巨但代腳價卻謹(jǐn)是要把用去耀芯片掃內(nèi)寶糟貴的譜空間考和消診耗更吩多的復(fù)漏電束流。忍將芯瓶片內(nèi)閱的去取耦電予容挪姑到封綢裝結(jié)怎構(gòu)上稱也許任是一擔(dān)個很簽好的勺折衷腥方案縫，但鍋要求嗎設(shè)計維師擁具有從問芯片略、封癥裝結(jié)塌構(gòu)到貍PC扮B的激整個養(yǎng)系統(tǒng)領(lǐng)的知消識。歡但通同常，允PC救B的萌設(shè)計貪師無朗法獲耗得芯動片和亭封裝透結(jié)構(gòu)之的設(shè)殊計數(shù)調(diào)據(jù)以獲及相洋應(yīng)的擋仿真磨軟件燒包?；\對于轎集成垃電路拾設(shè)計紛師，農(nóng)他們穩(wěn)通常菌不關(guān)納心下遠(yuǎn)端的革封裝恥和電幣路板葛的設(shè)兄計。閑但顯剪然采攜用協(xié)擇同設(shè)辮計概恨念對徒整個卷系統(tǒng)啞、芯弄片-扇封裝憑-電戀路板其的電伙源供富電系祥統(tǒng)進(jìn)繪行優(yōu)頑化分待析設(shè)族計是賤將來躲發(fā)展蔑的趨五勢。理一些賺走在溝電子摩設(shè)計殊前沿盒的公這司事周實上蒼已經(jīng)嚷這樣漸做了依。種參考逮文獻(xiàn)策In愈te催rn忠at努io全na裹l峰Te桐ch駝no憐lo家gy亡R搭oa酷dm酬ap不f耍or漢S探em哄ic若on戒du瞧ct傻or弊s,匆2篇00份5逗Ed霞it剪io稀n。堵憤Ra腹ym熊on懷d偉Y.早Ch治en襲,跡IB歌IS松A東si犬a(chǎn)廳Su落mm測it紛,勝20堆05姻蔑ht倆tp拘:/熔/w望ww腿.e叼da秋.o丟rg致/p大ub遭/i亭bi坦s/鳥su煉mm稱it膀s/屯de賀c0與5/除ch披en豈.p祥df脖咬[3蓋]J當(dāng)ia調(diào)yu厚an寄F膏an籠g,梢J概in交Z惕ha蓬o,泄T托he到P瞇ow乓er犯o禮f字Pl熟an錘es草-料L戚ow盛I符mp繡ed彎an昨ce離P塑ow獻(xiàn)er熟夜De宗li是ve牙ry線o返ve半r加Br桌oa釀d呆Fr幟eq考ue準(zhǔn)nc尊ie就s,獵P辮ri慧nt鎖ed革C匠ir結(jié)cu畢it科D闖es奸ig傍n銳&歪Ma外nu瓣fa扭ct逆ur隱in產(chǎn)g濁Ma鼠ga嘆zi文ne壤,宗Se也pt凡.2逼00諷3.矮槐[4眨]O患m,偏P蜜.M購an寧dh煎an疑a,穿J棵in趣Z共ha巨o,投"妄Co夾mp疊ar達(dá)at斬iv店e進(jìn)St首ud俱y溉on陪E匠ff稠ec恐ti陡ve洞ne堪ss獨o打f小On溪-C作hi獻(xiàn)p,休O張n-綁Pa能ck蘆ag北e瓶an首d勺PC延B免De威co惜up警li鎖ng逝f可or霧C偵or慰e檔No鳥is祥e朗Re埋du件ct倡io參n顯by灰U安si選ng部B催ro滾ad熊ba蜘nd殘P舊ow溜er翅D詢el攪iv幅er誦y帆Ne崇tw網(wǎng)or盡k擦Mo羽de陣ls飾,慎"慚55隊th曠E哈le塵ct勁ro膨ni束c撞Co椒mp箭on懲en造ts咸&團(tuán)T虧ec結(jié)hn刪ol正og越y(tǒng)愚Co范nf優(yōu)er境e