PCB 기술 - Cadence PI 기반 PCB 전원 무결성 분석 방법

Cadence Power Integrity(PI) 분석은 중요한 보드 설계 도구 프로세스입니다.이는 주로 현대 집적 회로 설계의 PCB에 적용되며 전원 시스템의 신뢰성과 성능을 보장하기 위해 고정밀 전원 무결성 분석을 제공합니다.Sigrity 기술에서 유래한 Cadence PI 솔루션은 전원 안정성과 전압 강하를 심층적으로 확인할 수 있는 AC에서 DC에 이르는 전체 주파수 대역을 포괄합니다.

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 시스템의 신호 무결성을 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 조건에 대한 전반적인 계획 및 설계 기준을 충족하고 제품 설계 초기 단계에서 가능한 한 많은 전력 무결성 문제를 해결하는 데 사용됩니다.제품 비용을 최소화하고 개발 주기를 단축할 수 있습니다.현재 일부 EDA 도구는 적절한 전원 무결성 (power integrity, PI) 시뮬레이션 분석 기능을 제공합니다.Allegro는 프런트엔드 제품인 Cadence, Orcad 및 Capture와 긴밀하게 통합된 대화형 작업 인터페이스를 제공합니다.복잡한 계층형 PCB 설계는 최적의 솔루션을 제공합니다.이 문서에서는 Allegro의 Cadence PI 구성 요소를 사용하여 ARM11 핵심 시스템의 전원 무결성을 분석하고 인쇄 회로 기판의 전원 무결성을 테스트하여 시뮬레이션 분석 결과를 검증합니다.

1. 권력의 완전성에 대한 이론적 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 전원 시스템의 임피던스는 0이고, 평면 내의 어떤 점의 전세도 일정하지만, 실제 전원 시스템은 복잡한 기생 용량과 감각을 가지고 있으며, 전원 칩이 제공하는 전원 전압은 이상적인 고정 값이 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 떨림 V를 말한다.이런 전압 파동은 한편으로는 평면이 디지털 신호에 안정적인 전압 참조를 제공하는 데 영향을 줄 수 있고, 다른 한편으로는 제공된 전원 전압의 떨림을 초래하여 설비의 성능에 영향을 줄 수 있다.평면 전압 변동이 장치의 허용 한도를 초과하면 시스템이 제대로 작동하지 않습니다.배전 시스템 설계의 핵심은 대상 임피던스 Z이며 공식으로 정의됩니다 (1):

공식에서 Vdd는 칩 전원 전압이고 문파는 시스템이 허용하는 전압 파동이며 Imax 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/접지면에서 필터링됩니다.1GHz 이상은 고주파 부분에서 전원 잡음은 주로 PCB의 전원/접지 평면 대면 및 칩 내의 고주파 콘덴서에 의해 필터링됩니다.전력 무결성 시뮬레이션을 할 때 진정으로 의미 있는 주파수 대역은 주로 몇 MHZ에서 수백 MHZ의 주파수 대역 내에 있다.현재 전력 무결성 문제를 해결하는 데는 크게 두 가지 방법이 있습니다.

첫째, PCB의 스태킹 설계와 레이아웃을 최적화합니다.고속 PCB 설계에서 구리 레이어 전체는 일반적으로 입력 임피던스를 최소화하기 위해 전원/접지 평면으로 사용됩니다.전원과 접지 평면은 평면 콘덴서로 볼 수 있는데, 특히 중저주파 단계에서는 등효 직렬 저항과 등효 직렬 전감이 매우 작아 좋은 디커플링과 필터링 특성을 가지고 있다.초기 신호 무결성으로 완성된 임피던스 정합을 현재의 생산 표준과 결합하여 층간 간격을 합리적으로 설치하고 적합한 판간 커패시터 값을 선택하면 고속 설계의 전력 무결성을 잘 향상시킬 수 있다.전원 및 접지 평면의 커패시터 값은 공식 (2) 으로 추산할 수 있습니다.

공식에서 μo=8.854pF;μr=4.5(FR-4 재료 교정값);A는 전원층의 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 배치하는 것이다.이것은 현재 전력 무결성 문제를 해결하는 가장 효과적인 방법입니다.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 에너지저장작용을 갖고있어 끊임없이 변화하는 전류수요에 아주 빠른 속도로 대답할수 있기에 국부지역 전원의 순간적응답능력을 효과적으로 제고시킬수 있다.적절한 커패시터 값을 가진 커패시터를 선택하고 커패시터의 올바른 배치를 결정하여 PCB 시스템의 전체 작동 주파수 범위에서 전원 무결성 문제를 해결하기 위해 전원 공급 장치의 임피던스를 목표 임피던스보다 작게 만드는 것이 중요합니다.Cadence PI를 사용하면 디커플링 콘덴서의 용량, 수량 및 위치를 신속하게 파악하여 개발 효율성을 높일 수 있습니다.

2. 전원 무결성 에뮬레이션

2.1ARM11 코어 시스템

이 문서에서는 Cadence PI를 에뮬레이션 도구로 사용하여 ARM11 핵심 시스템의 전원 무결성을 분석합니다.이 문서의 ARM11 코어 시스템은 S3C6410 칩을 사용합니다.S3C6410은 ARM11 아키텍처, FBGA 패키징 및 여러 개의 전원이 필요한 칩입니다.이 글에서 칩은 2개의 작업 전압이 있다: 1.2V 핵심 전원, 26개의 전원 핀(핵심 전원 핀, 16개의 논리 전원 핀);입출력(I/O) 커넥터 전원 3.3V에는 I/O 전원 핀이 30개 있습니다.칩 내부 작동 주파수는 667MHz, 외부 메모리 입력/출력 인터페이스 작동 주파수는 266MHz이다.ARM11 코어 시스템은 신호 시뮬레이션 임피던스 일치 및 생산 표준을 전제로 설정된 8층 스태킹 구조를 사용합니다.이 문서에서는 Cadence PI를 사용하여 ARM11 코어 전압 전원 네트워크 VDD_ARM의 전원 무결성을 시뮬레이션했습니다.

S3C6410 칩 데이터 매뉴얼에 따르면 핵심 전류 소비는 200mA이고 100% 용차를 더하면 시스템이 허용하는 전압 파동치는 4%, 핵심 전압은 1.2V이다.방정식 (1) 에 따라 에뮬레이션에서 대상 임피던스를 0.12μ로 설정합니다.

2.2 전원 무결성 시뮬레이션

2.2.1 콘덴서 선택의 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, 에뮬레이션 인센티브, 전류원 및 모든 콘덴서가 병렬로 연결되어 있다고 가정하면 단일 노드 에뮬레이션은 목표 임피던스 용량을 유지하는 데 필요한 값을 얻을 수 있습니다.

2.2.2 다중 노드 에뮬레이션, 레이아웃 최적화를 위한 디커플링 콘덴서 배치

단일 노드 시뮬레이션은 디커플링 용량의 배치를 고려하지 않기 때문에 더 정확한 결과를 얻기 위해 소음원과 디커플링 용량의 배치를 고려하고 전 주파수 범위 내에서 다중 노드 시뮬레이션을 진행한다.다중 노드 에뮬레이션에서 Cadence PI는 사용자 정의에 따라 전원 평면을 다중 그리드로 나누고 각 그리드를 모델링합니다. 그런 다음 배치된 디커플링 콘덴서, 전압 조절 모듈 VRM 및 노이즈 소스를 특정 그리드에 연결합니다. 그리드 점을 연결하여 각 노드의 주파수 임피던스 에뮬레이션 파형을 생성합니다.

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

2.2.3 전원 평면 정적 IR 압력강하 직류 압력강하 분석

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

2.2.4 전원 평면 전류 밀도 분석

전원 공급 장치 평면에 구멍이 너무 많거나 분포가 불합리한 경우 전류가 좁은 영역으로 흐르면서 영역의 전류 밀도가 너무 높아집니다.전력 평면에서 전류 밀도가 가장 높은 영역을 핫스폿이라고 합니다.핫스팟은 심각한 열 안정성 문제를 초래할 수 있습니다.따라서 회로기판의 전류밀도가 균일하게 분포되도록 통공을 합리적으로 설계해 핵심 칩과 고속 흔적선에 접근하지 않도록 할 필요가 있다.핫스팟이 나타나다.

3. PCB 전원 무결성 테스트

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

1.2V 스위치 전원 공급 장치는 대시보드에 약 0 _ 2 ½ 0.8A의 출력 전류를 제공합니다.동적 부하가 일정한 전압에 있을 때 출력 임피던스는 주기적으로 변화하며 전류 폭은 같은 주기 내에 0.2½0.8A의 점프를 완성할 수 있다.데이터에서 볼 수 있듯이 Cadence PI 분석을 거쳐 생산된 PCB 2판은 전원 무결성이 크게 향상되었다.

4. 결론

Cadence PI를 시뮬레이션 분석한 후 ARM11 코어 시스템 PCB 보드를 제작했다.회로에 대한 실제 측정을 통해 모든 배전 시스템이 잘 작동한다는 것을 발견했는데, 이는 시뮬레이션 결과와 거의 일치한다.시스템의 주파수가 고속으로 증가함에 따라 배전 시스템은 더욱 복잡해지고 공정 생산 원가와 주기는 엄격하게 통제된다.전자 시스템을 설계할 때는 실제 시스템의 동작을 시뮬레이션하기 위해 시스템 수준에서 전원 무결성 시뮬레이션 분석을 수행하여 설계 효율성을 높이고 설계 오류를 줄여야 합니다.