Technologie PCB - Méthode d'analyse de l'intégrité de l'alimentation PCB basée sur cadence Pi

Cadence Power Integrity (PI) Analytics est un processus clé pour les outils de conception de cartes. Il est principalement appliqué aux PCB dans la conception de circuits intégrés modernes, fournissant une analyse d'intégrité de puissance de haute précision pour assurer la fiabilité et les performances du système d'alimentation. Dérivées de la technologie sigrity, les solutions cadence Pi couvrent toute la bande de fréquences, du courant alternatif au courant continu, permettant un contrôle approfondi de la stabilité de l'alimentation et des chutes de tension.

Comme les signaux modernes à grande vitesse sont de plus en plus rapides, les bords du signal sont de plus en plus raides, la tension d'alimentation de la puce est encore réduite et l'augmentation de la fréquence d'horloge et du taux de lecture des données nécessite plus de consommation d'énergie. Tout en analysant et en étudiant l'intégrité du signal des systèmes électroniques, la façon de fournir une alimentation stable et fiable aux systèmes électroniques devient également l'une des principales orientations de recherche. Les méthodes analytiques et les pratiques d'ingénierie de l'intégrité électrique sont encore en phase d'exploration continue. Les techniques de simulation sont utilisées pour résoudre autant de problèmes d'intégrité de l'alimentation que possible aux premiers stades de la conception d'un produit, sous réserve d'une planification globale et de critères de conception qui répondent aux conditions de fabrication et d'essai. Il peut minimiser les coûts des produits et réduire les cycles de développement. À l'heure actuelle, certains outils EDA offrent des fonctionnalités d'analyse de simulation d'intégrité de l'alimentation (PI). Parmi eux, Allegro offre une bonne interface de travail interactive et une intégration étroite avec ses produits frontaux cadence, Orcad et capture. La conception complexe de PCB en couches offre la solution la plus parfaite. Cet article utilise le composant cadence Pi d'allegro pour analyser l'intégrité de l'alimentation du système ARM11 Core et tester l'intégrité de l'alimentation de la carte de circuit imprimé afin de valider les résultats de l'analyse de simulation.

1 analyse théorique de l’intégrité du pouvoir

1.1 Concept de système de distribution

Dans les systèmes électroniques, le Sous - système d'alimentation a pour fonction de fournir une référence de tension stable et un courant d'entraînement suffisant pour tous les appareils. Par conséquent, le circuit d'alimentation et le circuit fonctionnel doivent avoir une connexion d'alimentation à basse impédance et une connexion à la terre. Le système d'alimentation idéal a une impédance de 0 et le potentiel en tout point du plan est constant, mais le système d'alimentation réel a des capacités et des inductances parasites complexes et la tension d'alimentation fournie par la puce d'alimentation n'est pas une valeur constante idéale.

Le système de distribution électrique (PDS) se compose d'une impédance cible, d'un module régulateur de tension (VPM), d'un plan d'alimentation / masse, d'un condensateur de découplage et d'un condensateur céramique haute fréquence.

Le problème d'intégrité de l'alimentation est que les réseaux de distribution dans les systèmes à grande vitesse ont des impédances d'entrée différentes à différentes fréquences, entraînant une gigue de tension V induite par le courant de bruit I et le courant de charge transitoire I sur le plan alimentation / masse. De telles fluctuations de tension peuvent, d'une part, affecter le plan pour fournir une référence de tension stable au signal numérique et, d'autre part, provoquer une gigue de la tension d'alimentation fournie, affectant les performances du dispositif. Lorsque la tension plane fluctue au - delà de la plage de tolérance de l'appareil, le système ne fonctionnera pas correctement. La clé de la conception du système de distribution est l'impédance cible Z, définie par la formule (1):

Dans la formule, VDD est la tension d'alimentation de la puce, l'ondulation est la fluctuation de tension permise par le système et Δimax est la variation de courant transitoire maximale de la puce de charge. Le but d'un système d'alimentation est de pouvoir fournir un courant d'entraînement suffisant avec une valeur de tension constante pendant un temps de réponse limité, il doit donc avoir une impédance d'alimentation suffisamment faible.

1.2 méthodes de résolution de l'intégrité de l'alimentation

Le module de régulation de tension, le plan d'alimentation / masse, le condensateur de découplage et le condensateur céramique haute fréquence jouent un rôle décisif dans l'impédance du système de distribution dans différentes gammes de fréquences. Dans la gamme basse fréquence de 1 kHz à quelques Hz, la régulation de tension régule le courant de sortie pour réguler la tension de charge; Dans la gamme de fréquences intermédiaires de quelques MHz à quelques centaines de MHz, le bruit d'alimentation est principalement filtré par le condensateur de découplage et le couple alimentation / plan de masse du PCB; Au - dessus de 1 GHz dans la partie haute fréquence, le bruit d'alimentation est principalement filtré par la paire alimentation / plan de masse du PCB et le condensateur haute fréquence à l'intérieur de la puce. Lors de la réalisation de simulations d'intégrité de puissance, les bandes de fréquences réellement significatives se situent principalement dans la bande de quelques MHz à quelques centaines de MHz. À l'heure actuelle, il existe principalement deux façons de résoudre le problème de l'intégrité électrique:

L'un est d'optimiser la conception et la disposition de l'empilement de PCB. Dans les conceptions de PCB à grande vitesse, la couche de cuivre entière est généralement utilisée comme plan d'alimentation / de masse pour minimiser l'impédance d'entrée. Les plans d'alimentation et de masse peuvent être considérés comme des condensateurs plans, en particulier dans les phases de moyenne et basse fréquence, la résistance série équivalente et l'Inductance série équivalente étant très faibles et présentant de bonnes caractéristiques de découplage et de filtrage. La combinaison de l'adaptation d'impédance complète de l'intégrité du signal précoce avec les normes de production actuelles, le réglage rationnel de l'espacement entre les couches, le choix de la valeur appropriée de la capacité inter - carte, peut très bien améliorer l'intégrité de la puissance de la conception à grande vitesse. Les valeurs capacitives de l'alimentation et du plan de masse peuvent être estimées selon la formule (2):

Dans la formule μo = 8854 PF; μr = 4,5 (valeur d'étalonnage du matériau fr - 4); A est la surface de cuivre de la couche d'alimentation (m2); D est l'intervalle (m) entre les couches de puissance en cuivre. Selon les résultats de la simulation, le condensateur Plan C plus petit a une courbe de réponse d'impédance plus élevée et une fréquence de résonance plus élevée.

Le second est la disposition des condensateurs de découplage. C'est actuellement la méthode la plus efficace pour résoudre les problèmes d'intégrité de l'alimentation. Dans les systèmes à haute fréquence, l'inductance parasite dans le système de distribution n'est pas négligeable, elle entraîne directement une augmentation de l'impédance du système de distribution. La capacité et l'inductance ayant des propriétés opposées dans le domaine fréquentiel, il est possible de réduire l'augmentation d'impédance induite par l'inductance en utilisant la méthode d'ajout de capacité. Dans le même temps, les condensateurs ont un rôle de stockage d'énergie et sont capables de répondre à des demandes de courant changeantes à des vitesses très rapides, ce qui permet d'améliorer efficacement la capacité de réponse transitoire de l'alimentation électrique locale. Comment choisir un condensateur avec une valeur de capacité appropriée et déterminer le placement correct du condensateur de sorte que l'impédance du système de distribution soit inférieure à l'impédance cible sur toute la gamme de fréquences de fonctionnement du système PCB est devenu la clé pour résoudre les problèmes d'intégrité de l'alimentation. Grâce à cadence Pi, il est possible de déterminer rapidement la capacité, le nombre et l'emplacement des condensateurs de découplage afin d'améliorer l'efficacité du développement.

2. Simulation d'intégrité de puissance

2.1arm11 système de base

Cet article utilise cadence Pi comme outil de simulation pour analyser l'intégrité de l'alimentation du système ARM11 Core. Le système ARM11 Core dans cet article utilise une puce S3C6410. Le S3C6410 est une architecture ARM11, un boîtier fbga et une puce nécessitant plusieurs Alimentations. Dans cet article, la puce a 2 tensions de fonctionnement: alimentation de base de 1,2 V, 26 broches d'alimentation (10 broches d'alimentation de base, 16 broches d'alimentation logiques); Interface d'entrée / sortie alimentation 3.3V avec 30 broches d'alimentation d'E / S. La fréquence de fonctionnement interne de la puce est de 667 MHz et l'interface d'entrée / sortie de la mémoire externe est de 266 MHz. Le système de base ARM11 utilise une structure empilée à 8 couches, l'espacement des couches étant défini en fonction de l'adaptation d'impédance de simulation de signal et des normes de production. Cet article utilise cadence pi pour simuler l'intégrité de l'alimentation du réseau d'alimentation en tension ARM11 Core VDD / ARM.

Selon le manuel de données de la puce S3C6410, la consommation de courant de base est de 200 ma, plus une tolérance de 100%, la valeur de fluctuation de tension permise par le système est de 4% et la tension de base est de 1,2 v. Selon la formule (1), l'impédance cible est fixée à 0,12 µm dans la simulation.

2.2 simulation de l'intégrité de l'alimentation

2.2.1 simulation, analyse, validation et optimisation d'un seul noeud pour la sélection des condensateurs

Dans une simulation à nœud unique, la connexion physique réelle de chaque composant du système d'alimentation est ignorée. En supposant que le module de régulation de tension d'alimentation vrm, la source d'excitation simulée, la source de courant et tous les condensateurs soient connectés en parallèle, la simulation mononoeud permet d'obtenir la valeur nécessaire pour maintenir la capacité d'impédance cible.

2.2.2 Simulation Multi - nœuds, placement de condensateurs de découplage pour optimiser la disposition

Comme la simulation mono - noeud ne prend pas en compte la disposition des capacités de découplage, pour obtenir des résultats plus précis, on considère le placement des sources de bruit et des capacités de découplage et on réalise une simulation Multi - noeuds sur toute la gamme de fréquences. Dans une simulation Multi - noeuds, cadence Pi divise le plan d'alimentation en plusieurs grilles définies par l'utilisateur et modélise chacune d'elles. Les condensateurs de découplage, le module de régulation de tension vrm et les sources de bruit placés sont ensuite connectés à une grille spécifique. Les points de la grille sont connectés pour générer une forme d'onde de simulation d'impédance fréquentielle pour chaque noeud.

Pour plus de précision, la taille de la grille doit être supérieure à 1 / 10 de la longueur d'onde correspondante de la fréquence la plus élevée du système.

2.2.3 analyse de la chute de pression statique IR du plan d'alimentation DC

Pour que la puce fonctionne correctement, la tension d'alimentation doit être limitée aux fluctuations autorisées. Les fluctuations de puissance sont causées par deux parties: les pertes en courant continu et le bruit alternatif. La chute de pression IR DC est la principale cause de pertes DC. Chute de tension IR statique la chute de tension DC est principalement liée à la largeur des connexions métalliques et des couches utilisées, au courant circulant dans le chemin, au nombre et à l'emplacement des vias. Après avoir configuré les broches d'alimentation et le courant absorbé dans cadence Pi, analysez la chute de tension DC du réseau de tension d'alimentation de base ARM11 VDD / ARM une fois la configuration terminée. Lorsque la fréquence de fonctionnement du système ARM11 Core est de 667 MHz, la plage de fluctuation admissible de sa tension continue de 1,2 V est de + / - 0,05 v. le logiciel de simulation cadence Pi calcule le gradient de tension du réseau VDD - arm. Avec une valeur maximale de 0013 V, drop est inférieur à la plage de fluctuation admissible de + / - 0,05 V et répond parfaitement aux exigences de tension de fonctionnement du S3C6410, ce qui garantit la stabilité du système.

2.2.4 analyse de la densité de courant du plan d'alimentation

Lorsqu'il y a trop de trous dans le plan d'alimentation ou qu'ils ne sont pas répartis rationnellement, le courant circule dans une zone étroite, ce qui entraîne une densité de courant trop élevée dans cette zone. La zone du plan de puissance où la densité de courant est maximale est appelée point chaud. Les points chauds peuvent causer de graves problèmes de stabilité thermique. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir rationnellement les Vias, de sorte que la densité de courant de la carte soit répartie uniformément et d'éviter la proximité des puces critiques et des traces à grande vitesse. Les points chauds apparaissent.

3. Test d'intégrité de l'alimentation PCB

Dans la première version de la carte, l'analyse cadence Pi n'a pas été utilisée, mais certains condensateurs de découplage ont été placés empiriquement. Au cours de la mise en service, il a été constaté que la forme d'onde du signal numérique à grande vitesse n'était pas bonne et que des erreurs se produisaient parfois. Dans cette deuxième édition, le nombre et la position des condensateurs de découplage, ainsi que la disposition de certains originaux, ont été ajustés par cadence Pi analysis.

L'alimentation à découpage de 1,2 V fournit un courant de sortie d'environ 0,8 a à la carte d'alimentation. Lorsque la charge dynamique est à tension constante, l'impédance de sortie varie périodiquement et l'amplitude du courant peut effectuer un saut de 0,2 ½ 0,8 a au cours de la même période. Il ressort des données que l'intégrité de l'alimentation de la deuxième version du PCB, produite après analyse cadence Pi, a été considérablement améliorée.

4. Conclusion

Après une analyse de simulation de cadence Pi, une carte PCB ARM11 core system a été réalisée. Grâce à des mesures réelles du circuit, il a été constaté que chaque système de distribution fonctionnait bien, ce qui est largement conforme aux résultats de la simulation. À mesure que la fréquence du système augmente à grande vitesse, le système de distribution devient plus complexe et les coûts et les cycles de production d'ingénierie sont étroitement contrôlés. Lors de la conception d'un système électronique, une analyse de simulation de l'intégrité de l'alimentation électrique au niveau du système est nécessaire pour simuler le comportement d'un système réel, améliorant ainsi l'efficacité de la conception et réduisant les erreurs de conception.