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(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(jì)前沿的公司在產(chǎn)品設(shè)計(jì)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(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(jì)帶來了巨大的挑戰(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(jì)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,。
圖1：PCB上一些常見的會增加電流路徑阻性的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),。 

 

        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(jì)工程師必須經(jīng)常考慮如何經(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?？梢苑殖尚酒⒓呻娐贩庋b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(diǎn)、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(jì)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,。
圖2：Sigrity PowerDC計(jì)算得到電源板層上的電流分布。 

            

        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(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(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))對高速系統(tǒng)設(shè)計(jì)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(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的范圍,。
圖3：包括和不包括電源整流模塊的平板對輸入阻抗,。 
                  


        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(jì)要求。因此一個好的直流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PCB上每一個電源和地網(wǎng)表進(jìn)行設(shè)計(jì)規(guī)則核查的最終檢驗(yàn)工具(DRC)。這種通過自動化軟件分析的設(shè)計(jì)流程可以避免靠目測,，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

        很多人知道一對金屬板構(gòu)成一個平板電容器,，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,，信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板尺寸時,，電源板層與地板的確構(gòu)成了一個電容,。

        然而，當(dāng)頻率升高時,，電源板層的特性開始變得復(fù)雜了,。更確切地說，一對平板構(gòu)成了一個平板傳輸線系統(tǒng),。電源與地之間的噪聲,，或與之對應(yīng)的電磁場遵循傳輸線原理在板之間傳播。當(dāng)噪聲信號傳播到平板的邊緣時,，一部分高頻能量會輻射出去,，但更大一部分能量會反射回去。來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特有的現(xiàn)象,。圖3展示了一對電源板層的輸入阻抗,。為了比較，圖中還畫了一個純電容和一個純電感的阻抗特性,。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3nH的電感來代替,。顯示純電容阻抗特性的是一個20nF的電容。從圖上可以看出,，在板上沒有電源整流模塊時,，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,，幾個諧振峰的出現(xiàn)顯示了平板的諧振特性,，這時平板就不再是純感性的了。

        至此,，很明顯,，一個低阻的電源供電系統(tǒng)(從直流到交流)是獲得低電壓波動的關(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. 沒有電源整流模塊,，沒有去耦電容放置在板上,。

b. 電源整流模塊用短路來模擬，沒有去耦電容放置在板上,。

c. 電源整流模塊用短路來模擬,，去耦電容放置在板上。

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

        例子b的綠線,，輸入阻抗在低頻時呈現(xiàn)出感性,。這正好對應(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,。第一個較強(qiáng)的諧振峰則出現(xiàn)在大約1GHz處。由此可見,，通過在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)的噪聲也會很低,。
圖5：針對不同結(jié)構(gòu)仿真計(jì)算得到的輸入阻抗。不考慮芯片和封裝結(jié)構(gòu)(紅線),；考慮封裝結(jié)構(gòu)(藍(lán)線),；考慮芯片,、封裝和電路板(綠線),。 

     


        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)問題。因此,，對一個特定的設(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，每個分立去耦電容的寄生電感以及板層和過孔的環(huán)路電感(電容至芯片)將會極大地降低去耦效果,，僅僅通過PCB上放置分立的去耦電容是無法進(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開始起作用,。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顯示了一個例子,，紅線是一個PCB上放置一些分立的去耦電容后得到的輸入阻抗。第一個諧振峰出現(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，但同時卻引入了一個很弱的30MHz諧振峰,，見綠線,。這個30MHz的諧振在時域中會體現(xiàn)為高頻翻轉(zhuǎn)信號的中頻包絡(luò)上的一個電壓波谷。

        芯片內(nèi)的去耦是很有效的,，但代價卻是要用去芯片內(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的整個系統(tǒng)的知識,。但通常，PCB的設(shè)計(jì)師無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)概念對整個系統(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)是將來發(fā)展的趨勢,。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,。

參考文獻(xiàn)

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[5]Jin Zhao, Michael Leins, "Evaluation and Elimination of PCB Edge Radiation Introduced by Core Switching Noise and I/O Simultaneous Switching Noise, " Technical Presentation at 2005 IEEE International Symposium on Electromagnetic Compatibility, 8-12 Aug, 2005, Chicago, Illinois

[6]Please find related information at www.Sigrity.com

[7]John Kane, "On-Chip Power Integrity, Including Package Effects,，" SOC Central online articles, March 14, 2005.