Технология PCB - Метод анализа целостности питания PCB на основе Cadence PI

Cadence Power Integrity (PI) Analytics - это ключевой процесс проектирования плат. Он в основном используется в PCB при проектировании современных интегральных схем и обеспечивает высокоточный анализ целостности электропитания для обеспечения надежности и производительности энергосистемы. Решения Cadence PI, основанные на технологии Sigrity, охватывают весь диапазон частот от переменного тока до постоянного тока и позволяют проводить углубленные проверки стабильности питания и снижения напряжения.

По мере того, как современные высокоскоростные сигналы становятся все быстрее и быстрее, края сигнала становятся все круче, напряжение питания чипа еще больше снижается, а увеличение частоты часов и скорости чтения данных требует большего энергопотребления. Анализируя и изучая целостность сигналов электронных систем, одним из ключевых направлений исследований является обеспечение стабильных и надежных источников питания для электронных систем. Аналитические методы и практика проектирования энергетической целостности все еще находятся на стадии постоянного изучения. Технология моделирования используется для решения как можно большего количества проблем целостности электропитания на ранних этапах проектирования продукта в соответствии с общими стандартами планирования и проектирования, которые отвечают условиям производства и тестирования. Это позволяет минимизировать затраты на продукцию и сократить цикл разработки. В настоящее время некоторые инструменты EDA обеспечивают соответствующую функцию эмуляционного анализа целостности питания (Power integrity, PI). В частности, Allegro предлагает отличный интерактивный рабочий интерфейс и тесно интегрируется со своими фронтальными продуктами Cadence, Orcad и Capture. Слоистый и сложный дизайн PCB предлагает идеальное решение. В этой статье используется компонент Cadence PI в Allegro для анализа целостности питания основной системы ARM11 и проверки целостности питания печатных плат для проверки результатов эмуляционного анализа.

Теоретический анализ целостности власти

1.1 Концепция системы распределения электроэнергии

В электронных системах функция подсистемы питания заключается в обеспечении стабильной опоры напряжения и достаточного тока привода для всех устройств. Поэтому схемы питания и функциональные схемы должны иметь подключение к источнику питания с низким сопротивлением и заземление. Идеальное сопротивление системы питания 0, потенциал любой точки в плоскости является постоянным, но фактическая система питания имеет сложную паразитную емкость и индуктивность, а напряжение питания, обеспечиваемое чипом питания, не является идеальным постоянным значением.

Распределительная система (PDS) состоит из целевого сопротивления, модуля регулятора напряжения (VPM), плоскости питания / заземления, развязывающих конденсаторов и высокочастотных керамических конденсаторов.

Проблема целостности питания заключается в том, что распределительная сеть в высокоскоростной системе имеет различное входное сопротивление на разных частотах, что приводит к дрожанию напряжения V, вызванному шумовым током I на плоскости питания / заземления и током переходной нагрузки I. Такие колебания напряжения, с одной стороны, влияют на плоскость, которая обеспечивает стабильную ссылку на напряжение для цифрового сигнала, а с другой стороны, приводят к дрожанию напряжения питания, что влияет на производительность оборудования. Когда колебания плоского напряжения превышают допуск устройства, система не будет работать должным образом. Ключевым элементом конструкции распределительной системы является целевое сопротивление Z, которое определяется как формула (1):

В формуле Vdd - это напряжение питания чипа, волны текстуры - это колебания напряжения, разрешенные системой, а Imax - максимальное переходное изменение тока для нагруженного чипа. Система питания предназначена для обеспечения достаточного тока привода при постоянном напряжении в течение ограниченного времени отклика, поэтому она должна иметь достаточно низкое сопротивление питания.

1.2 Способы решения проблемы целостности питания

Модули регулирования напряжения, плоскость питания / заземления, развязывающие конденсаторы и высокочастотные керамические конденсаторы играют решающую роль в сопротивлении распределительной системы в разных частотных диапазонах. В низкочастотном диапазоне от 1 кГц до нескольких Гц регулирование напряжения регулирует выходной ток для регулирования напряжения нагрузки; В диапазоне промежуточной частоты от нескольких МГц до нескольких сотен МГц шум питания в основном фильтруется развязывающими конденсаторами и плоскостью питания / заземления PCB; Более 1 ГГц в высокочастотном сегменте, шум питания в основном фильтруется PCB Planet Plass и высокочастотным конденсатором в чипе. При моделировании целостности мощности действительно значимый диапазон в основном находится в диапазоне от нескольких МГц до нескольких сотен МГц. В настоящее время существует два основных способа решения проблемы энергетической целостности:

Оптимизация дизайна и компоновки PCB. В высокоскоростных конструкциях PCB весь медный слой обычно используется в качестве плоскости питания / заземления для минимизации входного сопротивления. Плоскость питания и заземления можно рассматривать как плоские конденсаторы, особенно на средних и низких частотах, где эквивалентное последовательное сопротивление и эквивалентная последовательная индуктивность очень малы и имеют хорошие характеристики развязки и фильтрации. Сочетание соответствия сопротивления, завершенного на ранней стадии целостности сигнала, с текущими производственными стандартами, рациональная установка расстояния между слоями и выбор подходящего значения емкости между пластинами могут значительно улучшить целостность мощности высокоскоростной конструкции. Значения конденсаторов в плоскости питания и заземления могут быть оценены по формуле (2):

В формуле μo = 8.854pF; мкр = 4.5 (значение калибровки материала FR - 4); А - площадь меди в энергетическом слое (м2); d Интервал между слоями мощности меди (m). Согласно результатам моделирования, меньший плоский конденсатор C имеет более высокую кривую сопротивления и более высокую резонансную частоту.

Во - вторых, установить развязывающий конденсатор. В настоящее время это наиболее эффективный способ решения проблемы целостности электропитания. В высокочастотных системах нельзя игнорировать паразитную индуктивность в распределительной системе, что напрямую приводит к увеличению сопротивления распределительной системы. Поскольку емкость и индуктивность имеют противоположные свойства в частотном диапазоне, увеличение сопротивления, вызванное индуктивностью, может быть уменьшено путем добавления емкости. В то же время конденсаторы обладают аккумулирующим действием и могут реагировать на изменяющиеся потребности в токе с очень высокой скоростью, что позволяет эффективно улучшать переходную способность к реагированию локальных источников питания. Как выбрать конденсатор с подходящей емкостью и определить правильное размещение конденсатора, чтобы сопротивление распределительной системы было меньше сопротивления цели во всем диапазоне рабочих частот системы PCB, стало ключом к решению проблемы целостности питания. С помощью Cadence PI можно быстро определить емкость, количество и местоположение развязывающих конденсаторов для повышения эффективности разработки.

2. Имитация целостности питания

2.1ARM11 Основные системы

В этой статье Cadence PI используется в качестве инструмента моделирования для анализа целостности питания основной системы ARM11. Основная система ARM11 в этой статье использует чип S3C6410. S3C6410 - это архитектура ARM11, пакет FBGA и чип, требующий нескольких источников питания. В этой статье чип имеет 2 рабочих напряжения: 1.2V основной источник питания, 26 выводов питания (10 основных выводов питания, 16 логических выводов питания); Входно - выходной интерфейс питания 3,3В, имеет 30 выводов питания I / O. Внутренняя рабочая частота чипа составляет 667 МГц, а внешний интерфейс ввода / вывода памяти - 266 МГц. Основная система ARM11 имеет 8 - слойную укладку, а расстояние между слоями устанавливается в соответствии с требованиями соответствия сопротивления симуляции сигнала и стандартами производства. В этой статье используется Cadence PI для моделирования целостности питания VDD ARM основной сети напряжения ARM11.

Согласно Руководству по данным чипа S3C6410, потребление основного тока составляет 200 мА, плюс 100% - ный допуск, система допускает 4% колебаний напряжения, а основное напряжение составляет 1,2 В. В соответствии с формулой (1) в симуляции устанавливается целевое сопротивление 0,12 мкм.

2.2 Моделирование целостности питания

2.2.1 Имитация, анализ, проверка и оптимизация выбранного конденсатором одноузлового устройства

В одноузловом моделировании игнорируются физические соединения каждого компонента энергосистемы. Предполагая, что модуль регулирования напряжения питания VRM, имитационный источник возбуждения, источник тока и все конденсаторы подключены параллельно, одноузловое моделирование может получить значения, необходимые для поддержания емкости сопротивления цели.

2.2.2 Многоузловое моделирование, размещение развязывающих конденсаторов для оптимизации макета

Поскольку одноузловое моделирование не учитывает конфигурацию развязывающих конденсаторов, для получения более точных результатов учитывается размещение источников шума и развязывающих конденсаторов, а также многоузловое моделирование в полном диапазоне частот. В многоузловом моделировании Cadence PI делит плоскость питания на несколько сеток в соответствии с определением пользователя и моделирует каждую сетку. Затем размещенные развязывающие конденсаторы, модули регулирования напряжения VRM и источники шума подключаются к определенной сетке. Соедините точки сетки, чтобы генерировать имитируемые формы волн сопротивления частоты для каждой точки узла.

Для повышения точности размер сетки должен быть больше 1 / 10 соответствующей длины волны на самой высокой частоте системы.

2.2.3 Анализ падения давления постоянного тока в плоскости питания

Чтобы чип работал нормально, напряжение питания должно быть ограничено допустимым диапазоном колебаний. Колебания мощности вызваны двумя частями: потерей постоянного тока и шумом переменного тока. Давление IR постоянного тока является основной причиной потерь постоянного тока. Статическое падение напряжения постоянного тока IR в основном связано с шириной металлического соединения и используемым слоем, током по пути течения, количеством и расположением отверстий. После установки штуцера питания и поглощения тока в Cadence PI анализ падения давления постоянного тока в сети напряжения ядра ARM11 VDD ARM после завершения компоновки. Когда основная система ARM11 работает на частоте 667 МГц, допустимый диапазон колебаний напряжения постоянного тока 1,2 В составляет + / - 0.05 В. Программное обеспечение моделирования Cadence PI вычисляет градиент напряжения в сети VDD ARM. Максимальное значение Drop составляет 0013 В, что меньше допустимого диапазона колебаний + / - 0.05 В, что полностью соответствует требованиям рабочего напряжения S3C6410 и обеспечивает стабильность системы.

2.2.4 Анализ плотности тока в плоскости питания

Когда на плоскости питания слишком много отверстий или распределение нерационально, ток течет через узкую область, что приводит к чрезмерной плотности тока в этой области. Область с наибольшей плотностью тока на плоскости мощности называется горячей точкой. Горячие точки могут вызвать серьезные проблемы с тепловой стабильностью. Поэтому необходимо разумно спроектировать сквозные отверстия, чтобы плотность тока в монтажной плате распределялась равномерно, избегая близости к ключевым чипам и высокоскоростным трассам. Появляются горячие точки.

Тест на целостность питания PCB

В первой версии платы анализ Cadence PI не использовался, но на основе опыта были размещены некоторые развязывающие конденсаторы. Во время отладки было обнаружено, что высокоскоростные цифровые сигналы имеют плохую форму волны, а иногда и ошибки. Во втором издании количество и расположение развязывающих конденсаторов, а также расположение некоторых оригиналов были скорректированы с помощью анализа Cadence PI.

Источник питания с переключателем 1.2V обеспечивает выходной ток около 0 2½ 0,8A для панели питания. Когда динамическая нагрузка находится в постоянном напряжении, выходное сопротивление периодически меняется, и амплитуда тока может достигать скачка 0,2 ½ 0,8A за тот же период. Как видно из данных, целостность питания второй версии PCB, произведенной после анализа Cadence PI, значительно улучшилась.

4. Выводы

После симуляционного анализа Cadence PI была создана плата PCB для основной системы ARM11. Фактические измерения схемы показали, что каждая распределительная система работает хорошо, что в основном соответствует результатам моделирования. С быстрым увеличением частоты системы распределительная система становится все более сложной, а затраты и циклы инженерного производства строго контролируются. При проектировании электронных систем требуется симуляционный анализ целостности электропитания на системном уровне для моделирования поведения реальной системы, что повышает эффективность проектирования и уменьшает ошибки проектирования.