pcb電源供電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)

1、PCBPCB電源供電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)電源供電系統(tǒng)的分析與設(shè)計(jì)當(dāng)今，在沒(méi)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(shí)，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(hào)翻轉(zhuǎn)速度、更高的集成度和許多越來(lái)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(guò)程中為了確保電源和信號(hào)的完整性，對(duì)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)、

2、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(lái)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(huì)持續(xù)降低。隨著越來(lái)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(jiàn)供電電壓會(huì)降到1.2V，甚至更低，而同時(shí)電流也會(huì)顯著地增加。從直流IR壓降到交流動(dòng)態(tài)電壓波動(dòng)控制來(lái)看，由于允許的噪聲范圍越來(lái)越小，這種發(fā)展趨勢(shì)給電源供電系統(tǒng)的設(shè)計(jì)帶來(lái)了巨大的挑戰(zhàn)。PCBPCB電源供電系統(tǒng)電源供電系統(tǒng)設(shè)計(jì)概覽設(shè)計(jì)概覽通常在交流

3、分析中，電源地之間的輸入阻抗是用來(lái)衡量電源供電系統(tǒng)特性的一個(gè)重要的觀測(cè)量。對(duì)這個(gè)觀測(cè)量的確定在直流分析中則演變成為IR壓降的計(jì)算。無(wú)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(guò)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(duì)上述因素的仿真和分析中。比如，電源地輸入阻抗的一個(gè)非常廣泛的應(yīng)用是用來(lái)評(píng)估板上去耦電容的放置問(wèn)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

4、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(wèn)題。為了提高電源供電系統(tǒng)的可靠性和降級(jí)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)通常可以分成芯片、集成電路封裝結(jié)構(gòu)和PCB三個(gè)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(guò)孔則將不同層的金屬細(xì)條連接起來(lái)。對(duì)于一些高性能的芯片，無(wú)論內(nèi)

5、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(gè)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。圖1：PCB上一些常見(jiàn)的會(huì)增加電流路徑阻性的物理結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。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

6、，又有較緊的電壓浮動(dòng)的范圍。圖3：包括和不包括電源整流模塊的平板對(duì)輸入阻抗。例如，一個(gè)高密度和高管腳數(shù)的器件由于有大量的過(guò)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(huì)形成所謂的SwissChess結(jié)構(gòu)效應(yīng)。SwissChess結(jié)構(gòu)會(huì)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(huì)低于設(shè)計(jì)要求。因此一個(gè)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。

7、通過(guò)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(hào)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(constraintmanager)中，作為對(duì)PCB上每一個(gè)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(guò)自動(dòng)化軟件分析的設(shè)計(jì)流程可以避免靠目測(cè)，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(wèn)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)

8、鍵電壓電流的分布。交流電源地阻抗分析交流電源地阻抗分析很多人知道一對(duì)金屬板構(gòu)成一個(gè)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(hào)波長(zhǎng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板尺寸時(shí)，電源板層與地板的確構(gòu)成了一個(gè)電容。然而，當(dāng)頻率升高時(shí)，電源板層的特性開(kāi)始變得復(fù)雜了。更確切地說(shuō)，一對(duì)平板構(gòu)成了一個(gè)平板傳輸線系統(tǒng)。電源與地之間的噪聲，或與之對(duì)應(yīng)的電磁場(chǎng)遵循傳輸線原理在板之間傳播。當(dāng)噪聲信號(hào)傳播到平板的邊緣時(shí)，一部分高頻能量會(huì)輻射