Tecnología de PCB - Método de análisis de integridad de la fuente de alimentación de PCB basado en Cadence Pi

El análisis de la integración de energía de cadena (pi) es un proceso clave de herramientas de diseño de placas de circuito. Se aplica principalmente a los PCB en el diseño moderno de circuitos integrados, proporcionando análisis de integridad de energía de alta precisión para garantizar la fiabilidad y el rendimiento del sistema de energía. La solución Cadence Pi proviene de la tecnología sigrity, cubre toda la banda de frecuencia, desde AC hasta dc, y puede comprobar en profundidad la estabilidad de la fuente de alimentación y la caída de tensión.

A medida que las señales modernas de alta velocidad son cada vez más rápidas y los bordes de las señales son cada vez más empinados, el voltaje de alimentación del chip se reduce aún más, y el aumento de la frecuencia del reloj y la velocidad de lectura de datos requiere más consumo de energía. Al mismo tiempo que analiza y estudia la integridad de la señal del sistema electrónico, cómo proporcionar una fuente de alimentación estable y confiable para el sistema electrónico también se ha convertido en una de las direcciones clave de Investigación. Los métodos de análisis y la práctica de la ingeniería de integridad eléctrica todavía se encuentran en la etapa de exploración continua. La tecnología de simulación se utiliza para resolver el mayor número posible de problemas de integridad de la fuente de alimentación en las primeras etapas del diseño del producto bajo los estándares de planificación general y diseño que cumplen con las condiciones de fabricación y Prueba. Puede minimizar el costo del producto y acortar el ciclo de desarrollo. En la actualidad, algunas herramientas EDA proporcionan las funciones de análisis de simulación de integridad de Potencia (pi) correspondientes. Entre ellos, Allegro ofrece una buena interfaz de trabajo interactiva e integra estrechamente con sus productos Front - end cadence, orcad y capture. El complejo diseño de PCB en capas ofrece la solución más perfecta. Este artículo utiliza el componente Cadence Pi en Allegro para analizar la integridad de la fuente de alimentación del sistema central arm11 y probar la integridad de la fuente de alimentación de la placa de circuito impreso para verificar los resultados del análisis de simulación.

1. análisis teórico de la integridad del poder

1.1 concepto de sistema de distribución

En el sistema electrónico, la función del subsistema de alimentación es proporcionar una referencia de voltaje estable y una corriente de conducción suficiente para todos los dispositivos. Por lo tanto, los circuitos de alimentación y los circuitos funcionales deben tener conexiones de alimentación de baja resistencia y conexiones de tierra. La resistencia del sistema de alimentación ideal es de 0, y el potencial eléctrico en cualquier punto del plano es constante, pero el sistema de alimentación real tiene condensadores e inductores parasitarios complejos, y el voltaje de alimentación proporcionado por el chip de alimentación no es la constante ideal.

El sistema de distribución (pds) consta de impedancias objetivo, módulos de regulador de voltaje (vpm), planos de alimentación / tierra, condensadores de desacoplamiento y condensadores cerámicos de alta frecuencia.

El problema de integridad de la fuente de alimentación se refiere a que la red de distribución en el sistema de alta velocidad tiene diferentes impedancias de entrada en diferentes frecuencias, lo que resulta en un temblor de voltaje V causado por la corriente de ruido I en el plano de alimentación / tierra y la corriente de carga instantánea I. Esta fluctuación de voltaje afectará, por un lado, al plano para proporcionar una referencia de voltaje estable para las señales digitales, por otro lado, causará un temblor de voltaje de alimentación proporcionado y afectará el rendimiento del equipo. Cuando la fluctuación del voltaje plano exceda el rango de tolerancia del equipo, el sistema no funcionará correctamente. La clave del diseño del sistema de distribución es la resistencia objetivo z, que se define como la fórmula (1):

En la fórmula, vdd es el voltaje de alimentación del chip, la onda es la fluctuación de voltaje permitida por el sistema y△ IMAX es el cambio máximo de corriente instantánea del chip de carga. El sistema de alimentación está diseñado para proporcionar suficiente corriente de conducción a un valor de voltaje constante durante un tiempo de respuesta limitado, por lo que necesita tener una resistencia de alimentación lo suficientemente baja.

1.2 Formas de resolver la integridad de la fuente de alimentación

Los módulos de regulación de voltaje, los planos de alimentación / tierra, los condensadores de desacoplamiento y los condensadores cerámicos de alta frecuencia juegan un papel decisivo en la resistencia del sistema de distribución en diferentes rangos de frecuencia. En el rango de baja frecuencia de 1khz a unos pocos hz, el voltaje ajusta la corriente de salida para ajustar el voltaje de carga; En el rango de frecuencia intermedia de unos pocos MHz a cientos de mhz, el ruido de la fuente de alimentación se filtra principalmente por pares de planos de alimentación / tierra de condensadores de desacoplamiento y pcb; Por encima de 1 GHz en la parte de alta frecuencia, el ruido de la fuente de alimentación se filtra principalmente por el par de plano de alimentación / tierra del PCB y el capacitor de alta frecuencia en el chip. Al realizar la simulación de integridad de potencia, las bandas de frecuencia realmente significativas están principalmente dentro de las bandas de frecuencia de unos pocos MHz a cientos de mhz. En la actualidad, hay dos maneras principales de resolver el problema de la integridad eléctrica:

El primero es optimizar el diseño de apilamiento y el diseño de los pcb. En el diseño de PCB de alta velocidad, toda la capa de cobre se utiliza generalmente como un plano de alimentación / tierra para minimizar la resistencia de entrada. La fuente de alimentación y el plano de puesta a tierra pueden considerarse condensadores planos, especialmente en las etapas de frecuencia media y baja, la resistencia de serie equivalente y la inducción de serie equivalente son muy pequeñas, con buenas características de desacoplamiento y filtrado. La combinación de la coincidencia de resistencia completada por la integridad de la señal temprana con los estándares de producción actuales, el establecimiento racional de la distancia entre capas y la selección de valores de condensadores entre placas adecuados pueden mejorar bien la integridad de potencia del diseño de alta velocidad. Los valores de condensadores de la fuente de alimentación y el plano de tierra se pueden estimar de acuerdo con la fórmula (2):

En la fórmula, μo = 8854pf; Mu R = 4,5 (valor de calibración del material FR - 4); A es el área de cobre de la capa de alimentación (m2); D es el intervalo (m) entre las capas de potencia de cobre. Según los resultados de la simulación, el condensadores planos más pequeños C tiene una curva de respuesta de resistencia más alta y una frecuencia de resonancia más alta.

El segundo es organizar condensadores de desacoplamiento. Esta es la forma más eficaz de resolver el problema de la integridad de la fuente de alimentación en la actualidad. En los sistemas de alta frecuencia, la inducción parasitaria en el sistema de distribución no puede ser ignorada, lo que conduce directamente al aumento de la resistencia del sistema de distribución. Debido a que los condensadores e inductores tienen las características opuestas en el dominio de la frecuencia, se puede utilizar el método de agregar condensadores para reducir el aumento de la resistencia causado por los inductores. Al mismo tiempo, el capacitor tiene un efecto de almacenamiento de energía y puede responder a las necesidades cambiantes de corriente a una velocidad muy rápida, por lo que puede mejorar efectivamente la capacidad de respuesta instantánea de la fuente de alimentación en áreas locales. Cómo seleccionar condensadores con valores de condensadores adecuados y determinar la colocación correcta de los condensadores para que la resistencia del sistema de distribución sea menor que la resistencia objetivo en todo el rango de frecuencia de trabajo del sistema de PCB se ha convertido en la clave para resolver el problema de la integridad de la fuente de alimentación. Con la ayuda de Cadence pi, se pueden determinar rápidamente los condensadores, la cantidad y la ubicación de los condensadores de desacoplamiento para mejorar la eficiencia del desarrollo.

2. simulación de integridad de la fuente de alimentación

2.1rm11 sistema central

Este artículo utiliza Cadence Pi como herramienta de simulación para analizar la integridad de la fuente de alimentación del sistema central arm11. El sistema central arm11 en este artículo utiliza el chip s3c 6410. S3c 6410 es una arquitectura arm11, encapsulamiento fbga y chip que requiere múltiples fuentes de alimentación. En este artículo, el chip tiene dos voltaje de trabajo: 1,2v fuente de alimentación central, 26 pines de alimentación (10 pines de alimentación central, 16 pines de alimentación lógica); Fuente de alimentación de la interfaz de entrada / salida 3.3v, con 30 pines de alimentación de E / S. La frecuencia de funcionamiento interno del chip es de 667 mhz, y la frecuencia de funcionamiento de la interfaz de entrada / salida de la memoria externa es de 266 mhz. El sistema central arm11 adopta una estructura apilada de ocho capas, y el espaciamiento de las capas se establece bajo la premisa de la coincidencia de resistencia de simulación de señal y los estándares de producción. En este trabajo, la integridad de la fuente de alimentación de vdd arm, la red de alimentación de voltaje central arm11, se simula con Cadence pi.

Según el Manual de datos del chip s3c 6410, el consumo de corriente del núcleo es de 200ma, más una tolerancia del 100%, el valor de fluctuación de voltaje permitido por el sistema es del 4%, y el voltaje del núcleo es de 1,2v. De acuerdo con la fórmula (1), la resistencia del objetivo se establece en 0,12 micras en la simulación.

2.2 simulación de integridad de la fuente de alimentación

2.2.1 simulación, análisis, verificación y optimización de un solo nodo para la selección de condensadores

En la simulación de un solo nodo, se ignora la conexión física real de cada componente en el sistema eléctrico. Suponiendo que el módulo de regulación de tensión de alimentación vrm, la fuente de excitación de simulación, la fuente de corriente y todos los condensadores estén conectados en paralelo, la simulación de un solo nodo puede obtener el valor necesario para mantener el capacitor de resistencia objetivo.

2.2.2 simulación multinodo, colocación de condensadores de desacoplamiento para optimizar el diseño

Debido a que la simulación de un solo nodo no tiene en cuenta el diseño del capacitor de desacoplamiento, para obtener resultados más precisos, se considera la colocación de la fuente de ruido y el capacitor de desacoplamiento, y se realiza la simulación de múltiples nodos en todo el rango de frecuencia. En la simulación de múltiples nodos, el Cadence Pi divide el plano de la fuente de alimentación en varias cuadrículas según la definición del usuario y modela cada cuadrícula. a continuación, se conectan los condensadores de desacoplamiento colocados, el módulo de regulación de voltaje VRM y la fuente de ruido a una cuadrícula específica. se conectan los puntos de cuadrícula para generar la forma de onda de simulación de resistencia de frecuencia de cada nodo.

Para obtener una mayor precisión, el tamaño de la cuadrícula debe ser mayor que 1 / 10 de la longitud de onda correspondiente a la frecuencia más alta del sistema.

2.2.3 análisis de la caída de tensión ir estática del plano de la fuente de alimentación y la caída de tensión de corriente continua

Para que el chip funcione correctamente, el voltaje de la fuente de alimentación debe limitarse al rango de fluctuación permitido. Las fluctuaciones de potencia son causadas por dos partes: la pérdida de corriente continua y el ruido de ca. La caída de presión ir de corriente continua es la razón principal de la pérdida de corriente continua. La caída de corriente continua de caída de tensión ir estática está relacionada principalmente con el ancho de la conexión metálica y la capa utilizada, la corriente que fluye a través de la ruta, el número y la ubicación de los agujeros a través. Después de configurar el pin de alimentación y absorber la corriente en la IP de cadence, se analiza la caída de tensión de corriente continua de la red de tensión de alimentación central arm11 vdd ARM después de completar el diseño. Cuando la frecuencia de funcionamiento del sistema central arm11 es de 667 mhz, su rango de fluctuación permitido para la tensión de corriente continua de 1,2 V es + / - 0,05v. el software de simulación Cadence Pi calcula el gradiente de tensión de la red vdd arm. el valor máximo de Drop es de 0013v, menos que el rango de fluctuación permitido de + / - 0,05v, que cumple plenamente con los requisitos de tensión de trabajo de s36410 y puede garantizar la estabilidad del sistema.

2.2.4 análisis de la densidad de corriente plana de la fuente de alimentación

Cuando hay demasiados agujeros o una distribución irrazonable en el plano de la fuente de alimentación, la corriente fluye a través de una zona estrecha, lo que resulta en una densidad de corriente excesiva en esta Zona. La región con la mayor densidad de corriente en el plano de potencia se llama punto caliente. Los puntos calientes pueden causar graves problemas de estabilidad térmica. Por lo tanto, es necesario diseñar racionalmente los agujeros a través para que la densidad de corriente de la placa de circuito se distribuya uniformemente y evitar acercarse a chips clave y trazas de alta velocidad. Aparecen puntos calientes.

3. prueba de integridad de la fuente de alimentación de PCB

En la primera edición de la placa de circuito, no se utilizó el análisis de Cadence pi, pero se colocaron algunos condensadores de desacoplamiento por experiencia. Durante el proceso de puesta en marcha, se encontró que la forma de onda de la señal digital de alta velocidad no era buena, y a veces se produjeron errores. En la segunda edición, a través del análisis de Cadence pi, se ha ajustado el número y la ubicación de los condensadores de desacoplamiento, así como el diseño de algunos originales.

La fuente de alimentación del interruptor de 1.2v proporciona una corriente de salida de aproximadamente 0,2 medio 0,8a para la placa de alimentación. Cuando la carga dinámica se encuentra en un voltaje constante, la resistencia de salida cambia periódicamente, y la amplitud de corriente puede completar el salto de 0,2 medio 0,8a en el mismo ciclo. A partir de los datos, se puede ver que la integridad de la fuente de alimentación de la segunda versión del PCB producido después del análisis de Cadence Pi ha mejorado enormemente.

4. Conclusiones

Después de realizar el análisis de simulación de Cadence pi, se produjo el tablero de PCB del sistema central arm11. A través de la medición real del circuito, se encontró que cada sistema de distribución podía funcionar bien, lo que es básicamente consistente con los resultados de la simulación. Con el rápido aumento de la frecuencia del sistema, el sistema de distribución se ha vuelto más complejo y los costos y ciclos de producción de las obras están estrictamente controlados. Al diseñar un sistema electrónico, es necesario realizar un análisis de simulación de integridad de la fuente de alimentación a nivel del sistema para simular el comportamiento del sistema real, mejorando así la eficiencia del diseño y reduciendo los errores de diseño.