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一種使用Cadence PI對PCB電源完整性的分析方法
2014/09/16
Greta
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摘要：為了解決高速多層PCB的電源完整性問題，縮短其開發周期，提高其工作性能，以ARM11核心系統為例，提出利用CadencePI對PCB進行電源完整性分析的方法。通過對電源系統目標阻抗分析，確定去耦電容的數值，數量以及布局；對電源平面進行直流壓降和電流密度分析，改善PCB設計，優化系統的電源完整性。利用動態電子負載搭建的測試平臺，對電源仿真分析后制作的PCB進行測試，系統電源完整性較好，表明分析的結果是有效的。
隨著現代高速信號的速率越來越快，信號邊緣越來越陡，芯片的供電電壓的進一步降低，時鐘頻率和數據讀取速率的增加要求消耗更多的電能，在進行電子系統信號完整性分析研究的同時，如何提供穩定可靠的電源給電子系統也已成為重點研究方向之一。電源完整性工程的分析方法和實踐目前還處在不斷探索的階段，利用仿真技術，在滿足加工制造與測試條件的總體方案和設計準則下，在產品設計早期盡可能地解決電源完整性問題，能最大限度地降低產品成本，縮短研發周期。目前，一些EDA工具提供相應的電源完整性(Power Integrity，PI)仿真分析功能，其中Allegro提供良好的交互工作接口，和它前端產品Cadence、Orcad、Capture緊密結合，為當前高速、高密度、多層的復雜PCB設計提供了最完美解決方案。文中采用Allegro中的組件Cadence PI對ARM11核心系統進行了電源完整性分析，并對PCB板進行電源完整性的測試，驗證仿真分析的結果。
1 電源完整性理論分析
1.1 電源分配系統的概念
在電子系統中，電源子系統的作用是為所有器件提供穩定的電壓參考和足夠的驅動電流，因此，電源電路和功能電路之間應該是低阻抗的電源連接和接地連接。一個理想的電源系統，其阻抗為0，在平面任何一點的電位都是恒定的，但實際電源系統具有復雜的寄生電容和電感，而且供電芯片所提供的供電電壓也非理想的恒定值。
電源分配系統(Power Distribution System，PDS)由目標阻抗，電壓調節模塊(Voltage Regulator Module，VPM)，電源/地平面、去耦電容與高頻陶瓷電容組成。
電源完整性問題是指高速系統中的電源分配網絡在不同頻率下，有不同的輸入阻抗，導致電源/地平面上存在由噪聲電流△I和瞬態負載電流△I’引起的電壓抖動△V。這個電壓波動，一方面影響平面為數字信號提供穩定的電壓參考，另一方面會使提供的電源電壓抖動，影響器件工作性能。當平面電壓波動超出器件的容忍范圍時，會造成系統不能正常工作。電源分配系統設計的關鍵是目標阻抗Z，其定義如式(1)：
式中，Vdd為芯片電源電壓，ripple為系統允許的電壓波動，△Imax為負載芯片的最大瞬態電流變化量。電源系統的目的在于能夠在有限的反應時間內，以恒定的電壓值提供足夠的驅動電流，因此需要有足夠低的電源阻抗。
1.2 解決電源完整性的方法
電壓調節模塊，電源/地平面、去耦電容與高頻陶瓷電容在不同頻率范圍內對電源分配系統的阻抗起決定性作用。在1KHz到幾Hz低頻段，電壓調節調整輸出電流以調節負載電壓;幾MHZ到幾百MHZ中頻段，電源噪聲主要是由去耦電容和PCB的電源/地平面對來濾波;在1 GHz以上高頻部分，電源噪聲主要是由PCB的電源/地平面對和芯片內部的高頻電容來濾波。在做電源完整性仿真的時候，真正有意義的頻段主要是在幾MHZ到幾百MHZ這個頻段。目前解決電源完整性問題的途徑主要有以下兩個方面：
一是優化PCB的疊層設計和布局布線。在高速PCB設計中通常采用整塊銅層作為電源/地平面，盡可能減小輸入阻抗。電源和地平面可以看作是一個平面電容，特別是在低中頻階段，等效串聯電阻，等效串聯電感很小，具有良好的去耦濾波特性。綜合前期信號完整性所做阻抗匹配和目前的生產標準，合理的設置層間間距，選擇合適的板間電容值，可以很好的改善高速設計的電源完整性。電源和地平面的電容值可以估計為式(2)：
式中，εo=8.854 pF;εr=4.5(FR-4材料標定值);A為電源層鋪銅面積(m2);d為鋪銅電源層之間的間隔(m)。根據仿真結果可知，較小平面電容C擁有更高的阻抗響應曲線和更高的諧振頻率。
二是布置去耦電容。這是目前最有效的解決電源完整性問題的途徑。在高頻系統中，電源分配系統中的寄生電感不能忽略，它直接導致電源分配系統的阻抗增加。由于電容與電感在頻域具有相反特性，因此可以采用添加電容的方法來減小由于電感導致的阻抗增加。同時，電容具有儲能效應，能以極快的速度響應變化的電流需求，所以它能有效改善局部區域內電源的瞬態反應能力。如何選擇合適容值的電容、以及確定電容恰當的擺放位置，使電源分配系統阻抗在PCB系統的整個工作頻率范圍內都小于目標阻抗成為解決電源完整性問題的關鍵。借助Cadence PI可以快速地確定去耦電容的容值、數量和擺放位置，提高開發效率。
2 電源完整性仿真
2.1 ARM11核心系統
文中以Cadence PI為仿真工具，對ARM11核心系統進行電源完整性分析，本文中的ARM11核心系統采用S3C6410芯片。S3C6410是一款ARM11體系架構，FBGA封裝，需要多電源工作的芯片。本文中該芯片有2個工作電壓：核心供電電源1.2 V，有26個電源引腳(10個核心電源引腳，16個邏輯電源引腳);輸入/輸出接口供電電源3.3 V，有30個I/O電源引腳。芯片內部的工作頻率是667 MHz，外部存儲器輸入/輸出接口工作頻率是266 MHz。ARM11核心系統采用8層層疊結構，在信號仿真阻抗匹配和生產標準的前提下，設定層間間距。本文利用Cadence PI對ARM11核心電壓電源網絡VDD_ARM進行電源完整性仿真。
由S3C6410芯片數據手冊可知，核心電流消耗是200 mA，加上100%的容限，系統允許的電壓波動值取4%，核心電壓1.2V，根據式(1)，在仿真中設定目標阻抗為0.12 Ω。
2.2 電源完整性仿真
2.2.1 單節點仿真，分析驗證并優化電容選擇
在單節點仿真中，忽略電源系統中各元件實際的物理連接，假設電源調壓模塊VRM、仿真激勵源、電流源和所有電容都并聯在一起，單結點仿真可以得到維持目標阻抗所需要的電容。
2.2.2 多節點仿真，放置去耦電容優化布局
由于單節點仿真沒有考慮去耦電容的布局，為了獲得更精確的結果，考慮噪聲源和去耦電容的放置位置，在全頻率范圍內進行多節點仿真。在多節點仿真時，Cadence PI根據用戶定義將電源平面分隔成多個網格，并對每一個網格進行建模，然后將放置的去耦電容、電壓調節模塊VRM和噪聲源與具體的網格點連接起來，產生每一個節點的頻率-阻抗仿真波形。
為獲得較高的精確度，網格尺寸大小必須大于系統最高頻率對應波長的1/10。
2.2.3 電源平面靜態IR-Drop直流壓降分析
芯片要正常工作需將供電電壓限定在允許的波動范圍之內。電源波動是由DC損耗和AC噪聲兩部分造成的，直流壓降DC IR-Drop是產生DC損耗的主要原因。靜態IR-Drop直流壓降主要與金屬連線的寬度及所用層、該路徑所流過的電流大小、過孔的個數和位置有關。在Cadence PI中設置電源供給管腳和灌電流后，對布局布線完成后的ARM11核心供電電壓網絡VDD_ARM進行直流壓降分析，當ARM11核心系統工作頻率為667 MHz時，其1.2 V的直流電壓的允許波動幅度為+/-0.05 V。Cadence PI仿真軟件計算出VDD_ARM網絡電壓梯度，其中Drop的最大值為0.013 V，小于允許波動的幅度為+/-0.05 V，完全滿足S3C6410工作電壓要求，可以保證系統工作的穩定性。
2.2.4 電源平面電流密度分析
當電源平面上過孔過多或者分布不合理時，會出現電流流過狹窄區域，從而造成該區域電流密度過大。電源平面上最大的電流密度區域稱之為熱點，熱點有可能會導致嚴重的熱穩定性問題，因此要合理地設計過孔，使板的電流密度分布均勻，避免在關鍵芯片和高速走線附近出現熱點。
3、 PCB電源完整性測試
在第1版PCB中，沒有利用Cadence PI分析，只是根據經驗放置了一些去耦電容。在調試時，發現高速數字信號的波形不好，有時會有誤碼。在第2版中，通過Cadence PI進行分析，對去耦電容的數值數量和位置，部分原件的布局布線進行了調整。
開關電源1.2 V為電源平面提供0_2～0.8A左右的輸出電流，動態負載在恒壓的情況下，輸出阻抗周期變化，電流幅度可完成同周期的0.2～0.8 A的跳變。從數據可看出經過Cadence PI分析后生產的第2版PCB的電源完整性得到較大幅度的改善。
4 、結論
經過Cadence PI的仿真分析后，制作出ARM11核心系統PCB板，通過電路實際測量，發現各電源分配系統均能很好工作，與仿真結果基本一致。隨著系統頻率高速增加，電源分配系統復雜化，工程生產成本和周期的嚴格控制，在設計電子系統時，于系統層面進行電源完整性仿真分析、模擬真實系統的行為，對提高設計效率、減少設計誤差很有必要。
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