PCB 기술 - Cadence PI 기반 PCB 전원 무결성 분석 방법

다이제스트: 고속 다층 PCB의 전원 무결성 문제를 해결하고 개발 주기를 단축하며 성능을 향상시키기 위해 ARM11 핵심 시스템의 경우 CadencePI를 이용하여 PCB의 전원 무결성을 분석하는 방법을 제시했다.전력 시스템의 목표 임피던스를 분석하여 디커플링 콘덴서의 값, 수량과 배치를 확정한다;전원 평면의 DC 전압 강하 및 전류 밀도를 분석하여 PCB 설계를 개선하고 시스템의 전원 무결성을 최적화합니다.동적 전자 부하를 이용하여 구축된 테스트 플랫폼은 전력 시뮬레이션 분석 후 생산된 PCB를 테스트하는데, 시스템의 전력 완전성이 양호하여 분석 결과가 효과적임을 나타낸다.

현대 고속 신호의 속도가 점점 빨라지고 신호 가장자리가 점점 가파르며 칩의 전원 전압이 더욱 낮아지고 시계 주파수와 데이터 읽기 속도가 증가함에 따라 더 많은 전력 소비가 필요합니다.전자 시스템에서의 신호 무결성은 분석하고 연구하는 동시에 어떻게 전자 시스템에 안정적이고 신뢰할 수 있는 전원을 제공하는지도 관건적인 연구 방향 중의 하나가 되었다.전력 완결성 공정의 분석 방법과 실천은 여전히 끊임없이 탐색하는 단계에 있다.시뮬레이션 기술은 제조 및 테스트 조건을 충족하는 전반적인 계획 및 설계 지침에 따라 제품 설계 초기에 가능한 한 전원 무결성 문제를 해결하는 데 사용됩니다.제품 비용을 최소화하고 개발 주기를 단축할 수 있습니다.현재 일부 EDA 도구는 적절한 전력 무결성 (power integrity, PI) 시뮬레이션 분석 기능을 제공합니다.Allegro는 대화형 작업 인터페이스를 제공하며 프런트엔드 제품인 Cadence, Orcad 및 Capture와 긴밀하게 통합되어 있습니다.복잡한 계층형 PCB 설계는 최적의 솔루션을 제공합니다.이 문서에서는 Allegro의 Cadence PI 구성 요소를 사용하여 ARM11 핵심 시스템의 전원 무결성을 분석하고 PCB 보드의 전원 무결성을 테스트하여 시뮬레이션 분석 결과를 검증합니다.

1 전력 완전성 이론 분석

1.1 배전 시스템 개념

전자 시스템에서 전원 서브시스템의 기능은 모든 장치에 안정적인 전압 참조와 충분한 구동 전류를 제공하는 것입니다.따라서 전원 회로 및 기능 회로에는 저임피던스 전원 연결 및 접지 연결이 있어야 합니다.이상적인 전력 시스템의 임피던스는 0이고, 평면의 어떤 점의 전위도 일정하지만, 실제 전력 시스템은 복잡한 기생 용량과 감각을 가지고 있으며, 전원 칩이 제공하는 전원 전압은 이상적인 일정치가 아니다.

배전 시스템(PDS)은 표적 임피던스, 전압 조절기 모듈(VPM), 전원/접지 평면, 디커플링 콘덴서, 고주파 세라믹 콘덴서로 구성된다.

전원 무결성 문제는 고속 시스템의 배전망이 서로 다른 주파수에서 서로 다른 입력 저항을 가지고 있어 전원/접지 평면의 소음 전류 I와 순간적 부하 전류 I로 인한 전압 떨림을 말한다.이러한 전압 파동은 한편으로는 평면이 디지털 신호에 안정적인 전압 참조를 제공하는 데 영향을 미치고, 다른 한편으로는 제공된 전원 전압의 떨림을 초래하여 부품의 성능에 영향을 줄 수 있다.평면 전압 변동이 장치의 공차 범위를 초과하면 시스템이 제대로 작동하지 않습니다.배전 시스템 설계의 핵심은 대상 임피던스 Z이며 공식으로 정의됩니다 (1):

공식에서 Vdd는 칩 전원 전압이고 ripple은 시스템에서 허용하는 전압 변동이며 –³ Imax는 부하 칩의 최대 순간적 전류 변화입니다.전원 시스템의 목적은 제한된 응답 시간 동안 일정한 전압 값으로 충분한 구동 전류를 제공할 수 있기 때문에 충분한 낮은 전원 임피던스가 필요합니다.

1.2 전원 무결성 해결 방법

전압 조절 모듈, 전원 / 접지 평면, 디커플링 콘덴서 및 고주파 세라믹 콘덴서는 서로 다른 주파수 범위 내에서 배전 시스템의 임피던스에 결정적인 역할을 합니다.1KHz에서 몇 Hz의 저주파 범위 내에서 전압 조절은 출력 전류를 조절하여 부하 전압을 조절한다;몇 MHZ에서 수백 MHZ의 중간 주파수 범위 내에서 전원 노이즈는 주로 디커플링 콘덴서와 PCB의 전원/접지 평면을 통해 필터링됩니다.1GHz 이상은 고주파 부분에서 전원 소음은 주로 PCB의 전원/접지 평면과 칩 내부의 고주파 콘덴서에 의해 필터링됩니다.전력 무결성 시뮬레이션을 할 때 진정으로 의미 있는 주파수 대역은 주로 몇 MHZ에서 수백 MHZ의 주파수 대역에 있다.현재 전력 무결성 문제를 해결하는 방법은 크게 두 가지입니다.

첫째, PCB의 스태킹 설계와 레이아웃을 최적화합니다.고속 PCB 설계에서는 일반적으로 전체 구리 레이어를 전원/접지 평면으로 사용하여 입력 임피던스를 최소화합니다.전원과 접지 평면은 하나의 평면 콘덴서로 볼 수 있는데, 특히 저중주파 단계에서 등효 직렬 저항과 등효 직렬 전감은 모두 매우 작으며, 양호한 디커플링과 필터링 특성을 가지고 있다.초기 신호 무결성에 따른 임피던스 정합을 현재의 생산 표준과 결합하여 층간 간격을 합리적으로 설정하고 적합한 판간 커패시터 값을 선택하면 고속 설계의 전력 무결성을 잘 향상시킬 수 있다.전원 및 접지 평면의 커패시터 값은 공식으로 추정할 수 있습니다 (2):

공식에서 섬 = 8.854 pF;Isla µr=4.5(FR-4 재료 교정값);A는 출력층의 구리 면적(m2)입니다.d는 구리 출력층 사이의 간격(m)입니다.시뮬레이션 결과에 따르면 작은 평면 콘덴서 C는 높은 임피던스 응답 곡선과 높은 공명 주파수를 가지고 있습니다.

둘째는 디커플링 콘덴서를 설치하는 것이다.이것은 현재 전력 무결성 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법이다.고주파 시스템에서, 배전 시스템 중의 기생 전감은 무시할 수 없으며, 그것은 직접 배전 시스템의 임피던스 증가를 초래한다.커패시터와 인덕션은 주파수 영역에서 상반된 특성을 가지고 있기 때문에 인덕션으로 인한 임피던스 증가를 줄이기 위해 커패시터를 추가하는 방법을 사용할 수 있다.이와 동시에 콘덴서는 에너지저장효과가 있어 아주 빠른 속도로 끊임없이 변화하는 전류수요에 호응할수 있기에 국부지역에서 전원의 순간적호응능력을 효과적으로 높일수 있다.적절한 커패시터 값을 가진 커패시터를 선택하고 커패시터의 적절한 위치를 결정하여 PCB 시스템의 전체 작동 주파수 범위에서 전원 무결성 문제를 해결하기 위해 전원 공급 장치의 임피던스를 목표 임피던스보다 작게 만드는 방법이 중요합니다.Cadence PI의 도움으로 디커플링 콘덴서의 용량, 수량 및 위치를 신속하게 파악하여 개발 효율성을 높일 수 있습니다.

2 전원 무결성 시뮬레이션

2.1 ARM11 코어 시스템

이 문서에서는 Cadence PI를 에뮬레이션 도구로 사용하여 ARM11 핵심 시스템의 전력 무결성을 분석했습니다.이 문서의 ARM11 코어 시스템은 S3C6410 칩을 사용합니다.S3C6410은 ARM11 아키텍처, FBGA 패키징 및 여러 개의 전원이 필요한 칩입니다.이 글에서 이 칩은 2개의 작업전압이 있다. 1.2V 핵심전원, 26개 전원핀(핵심전원핀 10개, 논리전원핀 16개);입출력(I/O) 커넥터 전원 3.3V에는 I/O 전원 핀이 30개 있습니다.칩 내부 작동 주파수는 667MHz이고 외부 메모리 입력/출력 인터페이스의 작동 주파수는 266MHz이다.ARM11 코어 시스템은 신호 시뮬레이션 임피던스 정합 및 생산 표준을 전제로 설정된 8단 스태킹 구조입니다.이 문서에서는 Cadence PI를 사용하여 ARM11 코어 전압 전력망 VDD_ARM의 전원 무결성을 시뮬레이션했습니다.

S3C6410 칩 데이터 매뉴얼에 따르면 코어 전류 소비량은 200mA에 100% 용차를 더해 시스템이 허용하는 전압 변동치는 4%, 코어 전압은 1.2V다. 공식(1)에 따르면 시뮬레이션에 설정된 목표 임피던스는 0.12섬이다.

2.2 전원 무결성 에뮬레이션

2.2.1 콘덴서 선택 모델의 단일 노드 시뮬레이션, 분석, 검증 및 최적화

단일 노드 에뮬레이션에서는 전력 시스템의 각 구성 요소에 대한 실제 물리적 연결이 무시됩니다.전원 공급 장치 전압 조절 모듈 VRM, 아날로그 인센티브 소스, 전류 소스 및 모든 콘덴서가 병렬로 연결되어 있다고 가정하면 단일 노드 아날로그는 목표 임피던스를 유지하는 데 필요한 용량을 얻을 수 있습니다.

2.2.2 다중 노드 에뮬레이션, 레이아웃 최적화를 위한 디커플링 콘덴서 배치

단일 노드 에뮬레이션은 디커플링 콘덴서의 레이아웃을 고려하지 않기 때문에 더 정확한 결과를 얻기 위해 노이즈 소스와 디커플링 콘덴서의 배치를 고려하고 전 주파수 범위 내에서 다중 노드 에뮬레이션을 진행하십시오.다중 노드 에뮬레이션에서 Cadence PI는 사용자 정의에 따라 전력 평면을 여러 메쉬로 나누고 각 메쉬를 모델링합니다.그런 다음 배치된 디커플링 콘덴서, 전압 조절 모듈 VRM 및 노이즈 소스를 특정 전력망에 연결합니다.메쉬 점을 연결하여 각 노드의 주파수 임피던스 아날로그 파형을 생성합니다.

정밀도를 높이려면 메쉬 크기가 시스템 최고 주파수 대응 파장의 1/10보다 커야 합니다.

2.2.3 전원 평면 정적 IR 강하 직류 전압 강하 분석

칩이 제대로 작동하려면 전원 전압이 허용되는 변동 범위로 제한되어야 합니다.출력 파동은 직류 손실과 교류 소음 두 부분으로 인해 일어난다.직류 IR 감소는 직류 손실의 주요 원인입니다.정적 IR Drop DC 전압 강하는 주로 금속 연결의 폭과 사용되는 레이어, 경로를 흐르는 전류, 구멍을 통과하는 수 및 위치와 관련이 있습니다.Cadence PI에 전원 핀을 설정하고 전류를 흡수한 후, 레이아웃이 완료된 후 ARM11 핵심 전원 전압 네트워크 VDD_ARM의 직류 전압 강하를 분석했습니다.ARM11 코어 시스템의 작동 주파수가 667MHz이면 1.2V DC 전압에서 허용되는 변동 범위는 +/-0.05V입니다. Cadence PI 에뮬레이션 소프트웨어는 VDD_ARM 네트워크의 전압 경도를 계산합니다.Drop의 최대값은 0.013V로 +/-0.05V의 허용 변동 범위보다 작으며 S3C6410의 작동 전압 요구 사항을 완벽하게 충족하여 시스템의 안정성을 보장합니다.

2.2.4 전력 평면 전류 밀도 분석

전원 공급 장치 평면에 구멍이 너무 많거나 분포가 불합리한 경우 전류가 좁은 영역으로 흘러 해당 영역의 전류 밀도가 너무 높아집니다.전력 평면에서 가장 큰 전류 밀도 영역을 핫스폿이라고 합니다.핫스팟은 심각한 열 안정성 문제를 초래할 수 있습니다.따라서 회로기판의 전류 밀도가 균일하게 분포되도록 구멍을 합리적으로 설계하여 핵심 칩과 고속 주선에 접근하지 않도록 할 필요가 있다.핫스팟이 나타나다.

3. PCB 전원 무결성 테스트

PCB의 첫 번째 버전에서는 Cadence PI 분석을 사용하지 않았지만 경험을 바탕으로 일부 디커플링 콘덴서를 배치했습니다.디버깅 과정에서 고속 디지털 신호의 파형이 좋지 않고 때때로 오차가 발생하는 것을 발견했다.두 번째 버전에서는 Cadence PI 분석을 통해 디커플링 콘덴서의 수와 위치 및 일부 원본의 레이아웃을 조정했습니다.

1.2V 스위치 전원 공급 장치는 전원 평면에 약 0 _ 2ï½ 0.8A의 출력 전류를 제공합니다.동적 부하가 일정한 전압에 있을 때, 출력은 주기적인 변화에 저항하고, 전류 폭은 같은 주기 내에 0.2ï½0.8a의 점프를 완성할 수 있다.데이터에서 볼 수 있듯이 Cadence PI 분석 후 생산된 PCB 2 버전의 전원 무결성은 크게 향상되었습니다.

4. 결론

Cadence PI의 시뮬레이션 분석을 통해 ARM11 핵심 시스템 PCB 보드를 제작합니다.회로에 대한 실제 측정을 통해 모든 배전 시스템이 시뮬레이션 결과와 거의 일치하는 것을 발견했다.시스템의 주파수가 고속으로 증가함에 따라 배전 시스템은 더욱 복잡해지고 공정 생산 원가와 주기는 엄격하게 통제된다.전자 시스템을 설계할 때 시스템 수준에서 전력 완전성 시뮬레이션 분석을 실시하여 실제 시스템의 행동을 시뮬레이션함으로써 설계 효율을 높이고 설계 오차를 줄였다.