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06-17
如今，如果不透彻了解芯片、封装结构和 PCB 电源系统特性，就很难成功设计高速电子系统。
事实上，为了满足更低的电源电压、更快的信号切换速度、更高的集成度以及许多日益具有挑战性的要求，许多处于电子设计前沿的公司在产品设计过程中都必须确保电源供应。
和信号完整性，投入了大量的资金、人力、物力对供电系统进行分析。
电源系统（PDS）的分析和设计在高速电路设计领域变得越来越重要，特别是在计算机、半导体、通信、网络和消费电子行业。
随着VLSI技术不可避免地进一步缩小，集成电路的电源电压将不断降低。
随着越来越多的制造商从纳米技术转向90纳米技术，可以预期供电电压将下降至1.2V甚至更低，而电流也将大幅增加。
从直流IR压降到交流动态电压波动控制，由于允许的噪声范围越来越小，这种发展趋势给电源系统的设计带来了巨大的挑战。
PCB电源系统设计概述 通常在交流分析中，电源地之间的输入阻抗是一个重要的观察量，用于衡量电源系统的特性。
该观测量的确定演变为直流分析中IR电压降的计算。
无论是直流还是交流分析，影响电源系统特性的因素包括：PCB分层、电源板平面形状、元件布局、过孔和引脚分布等。
图1：一些常见的物理结构设计增加电流路径电阻的 PCB。
电源与地之间的输入阻抗的概念可以应用于上述因素的仿真和分析。
例如，电源接地输入阻抗的一个非常常见的应用是评估板载去耦电容器的放置。
通过在板上放置一定数量的去耦电容，可以抑制电路板本身特有的谐振，从而减少噪声的产生，同时还可以减少电路板的边缘辐射，缓解电磁兼容问题。
为了提高电源系统的可靠性并降低系统的制造成本，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器的系统布局。
高速电路系统中的电源系统通常可分为三个物理子系统：芯片、集成电路封装结构和PCB。
芯片上的电网由几个交替放置的金属层组成。
每层金属由X或Y方向的金属条组成，形成电源或接地网格。
过孔连接不同层的金属条。
对于一些高性能芯片，核心和IO的供电中都集成了很多去耦单元。
集成电路封装结构就像缩小版的PCB，具有多层形状复杂的电源或接地层。
在封装结构的上表面，通常有去耦电容的安装位置。
PCB通常包含连续的大面积电源和接地层，以及一些大大小小的分立去耦电容元件和电源整流模块（VRM）。
键合线、C4 凸块和焊球连接芯片、封装和 PCB。
整个供电系统必须保证每个集成电路器件提供正常范围内的稳定电压。
然而，这些电源系统中的开关电流和寄生高频效应总是会引入电压噪声。
其电压变化可以通过以下公式计算： 其中ΔV是在器件处观察到的电压波动，ΔI是开关电流。
Z 是在整个电源系统的源极和接地之间的设备处观察到的输入阻抗。
为了减少电压波动，电源和地之间的电阻应保持较低。
在直流情况下，由于Z变成纯电阻，低阻值对应低电源IR压降。
在交流情况下，低电阻可以使开关电流产生的瞬态噪声更小。
当然，这要求 Z 在很宽的频带内保持较小。
图 2：Sigrity PowerDC 计算电源板层上的电流分布。
注意，电源和地通常用作信号回路和参考平面，因此电源系统和信号分配系统之间存在密切的关系。
但由于篇幅限制，这里将不讨论同步开关噪声（IO SSO）引入的电源系统中的噪声现象和电流环控制问题。
以下章节将忽略信号系统，仅重点分析供电系统。
DC IR 压降 由于芯片的电网（Power Grid）特征尺寸很小（几微米甚至更小），芯片内部的电阻损耗严重，所以内部的 IR 压降该芯片已得到广泛的地面研究。
在以下情况下，PCB上的IR压降（在几十到几百毫伏范围内）也会对高速系统设计产生较大影响。
电源板层采用Swiss-Ches结构、Neck-Down结构和动态布线，使板平面被分割（图1）；电源板层上电流通过的器件引脚、过孔、焊球等C4凸块数量不够，电源板厚度不够，电流路径不平衡等；系统设计要求低电压、大电流和严格的电压浮动范围。
图 3：带和不带电源整流器模块的面板对输入阻抗。
例如，高密度、高引脚数的器件，往往会因过孔数量较多、防反接而在芯片封装结构和PCB的配电层上形成所谓的瑞士象棋结构效应。
垫。
瑞士国际象棋结构创造了许多高电阻的微小金属区域。
根据 ，由于电源系统中存在此类高电阻电流路径，发送到PCB上组件的电压或电流可能会低于设计要求。
因此，良好的 DC IR 压降仿真是估算电源系统允许压降范围的关键。
通过分析各种可能性，在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 drop分析纳入约束管理器中，作为PCB上每个电源和接地网表的设计规则检查的最终验证工具（DRC）。
这种通过自动化软件分析的设计过程可以避免复杂电源系统结构中通过目视检查甚至经验无法发现的布局和布线问题。
图 2 显示了 IR 压降分析如何准确确定高性能 PCB 上电源系统中关键电压和电流的分布。
交流电源地阻抗分析 很多人都知道一对金属板构成扁平电容，因此认为电源板层的特性就是提供扁平电容，保证供电的稳定性电压。
当频率较低且信号波长远大于面板尺寸时，电源板层和地板确实形成电容器。
然而，随着频率的增加，电源平面层的特性开始变得复杂。
相反，一对平板形成平板传输线系统。
电源和地之间的噪声或相应的电磁场按照传输线原理在板之间传播。
当噪声信号传播到板的边缘时，一些高频能量被辐射，但大部分能量被反射回来。
来自板材不同边界的多次反射构成了PCB中的共振现象。
图4：PowerSI在三种设置下计算的PCB输入阻抗曲线。
(a) 不包括电源整流模块； (b) 包含电源整流模块； (c)包含电源整流模块和一些去耦电容。
在交流分析中，PCB电源接地阻抗谐振是一种独特的现象。
图 3 显示了一对电源平面层的输入阻抗。
为了进行比较，图中还画出了纯电容器和纯电感器的阻抗特性。
板的尺寸为30cm×20cm，板之间的间距为um，填充介质为FR4材料。
板上电源整流模块更换为3nH电感。
显示纯电容性阻抗特性的是 20nF 电容器。
从图中可以看出，当板上没有电源整流模块时，平板的阻抗特性（红线）在几十兆频率范围内与电容（蓝线）相同。
高于 MHz 时，板的阻抗特性呈感性（沿绿线）。
达到数百兆赫的频率范围后，几个谐振峰的出现表明了平板的谐振特性。
此时，平板不再是纯电感式的。
至此，很明显，低电阻的供电系统（从直流到交流）是获得低电压波动的关键：减少电感效应，增加电容效应，消除或减少那些谐振峰值是设计目标。
为了降低供电系统的阻抗，应遵循一些设计准则： 1.减小电源与地板层的间距； 2。
增加板的尺寸； 3。
提高填充介质的介电常数； 4。
使用多对电源和地板层。
但是，由于制造或其他一些设计方面的考虑，设计工程师还需要使用一些更灵活有效的方法来改变供电系统的阻抗。
为了降低阻抗并消除那些谐振峰值，在 PCB 上放置分立的去耦电容器已成为一种常用方法。
图 4 显示了在三种不同设置下使用 Sigrity PowerSI 计算出的电源系统的输入阻抗： a。
板上没有电源整流模块，也没有放置去耦电容。
b。
电源整流模块用短路模拟，板上没有放置去耦电容。
c。
电源整流模块用短路来模拟，去耦电容放在板上。
从图中可以看出，例如蓝线，在集成电路芯片位置观察到的电源系统的输入阻抗在低频时呈现电容性。
随着频率增加，第一个自然谐振峰值出现在 MHz 频率处。
该频率的波长对应于电源接地层的尺寸。
例b中的绿线，输入阻抗在低频时是感性的。
这正好对应于从集成电路芯片位置到电源整流模块的环路电感。
该环路电感与板电容一起引入了 MHz 处的谐振峰值。
例c的红线，在板上放置一些去耦电容后，MHz谐振峰值移至很低的频率（<20MHz），并且谐振峰值的峰值也降低了很多。
第一个较强的共振峰出现在 1GHz 左右。
可以看出，通过在PCB上放置分立的去耦电容，电源系统可以在主要工作频率范围内实现较低且平滑的交流阻抗响应。
因此，供电系统的噪声也会很低。
图5：通过模拟不同结构计算出的输入阻抗。
不考虑芯片和封装结构（红线）；考虑封装结构（蓝线）；考虑芯片、封装和电路板（绿线）。
在电路板上放置分立的去耦电容，可以让设计人员灵活调整电源系统的阻抗，以实现更低的电源接地噪声。
然而，选择去耦电容的放置位置、数量和类型仍然是一系列设计问题。
因此，通常需要为特定设计找到最佳的去耦解决方案，使用适当的设计软件，并对电源系统进行广泛的仿真。
协同设计理念 图4实际上揭示了另一个非常重要的事实，那就是放置在PCB上的分立去耦电容的频率范围只能达到几百兆赫。
无论频率多高，每个分立去耦电容的寄生电感以及板层和过孔（电容到芯片）的环路电感都会大大降低去耦效果。
简单地在 PCB 上放置分立的去耦电容并不能进一步提高频率。
降低供电系统的输入阻抗。
从几百兆赫兹到更高的频率范围，封装电源系统的板间电容以及封装上的分立去耦电容器将发挥作用。
在GHz频率范围内，芯片内电网之间的电容和芯片内的去耦电容是唯一的去耦解决方案。
图5给出了一个例子，红线是通过在PCB上放置一些分立的去耦电容获得的输入阻抗。
第一个共振峰出现在 MHz 至 MHz 处。
考虑封装结构后，封装结构的附加电感将谐振峰值移动到大约 MHz，请参见蓝线。
纳入芯片供电系统后，芯片内的去耦电容去掉了那些高频谐振峰值，但同时引入了非常微弱的30MHz谐振峰值，见绿线。
该 30MHz 谐振将在时域中反映为高频翻转信号的中频包络上的电压谷值。
芯片内的去耦非常有效，但代价是占用芯片内的宝贵空间并消耗更多的漏电流。
将芯片内的去耦电容移至封装结构可能是一个很好的折衷方案，但这需要设计者了解从芯片、封装结构到PCB的整个系统。
但通常，PCB设计人员无法获得芯片和封装结构的设计数据以及相应的仿真软件包。
对于集成电路设计者来说，他们通常不关心低端的封装和电路板设计。
但显然，利用协同设计的理念来优化、分析和设计整个系统芯片-封装-电路板的供电系统，是未来的发展趋势。
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