PCB Teknik - Cadence PI kullanarak PCB güç yeteneğinin analiz yöntemi

Cadence Power Integrity (PI) analizi anahtar board tasarım aracı akışıdır. İlk olarak modern integral devre tasarımında PCB'lere uygulanır, güç sistemlerinin güveniliğini ve performansını sağlamak için yüksek kesinlikle güç integriteti analizi sağlayacak. Cadence PI çözümleri güvenlik teknolojisinden alındı ve tüm AC menzilini DC bandlarına kapatıyor, güç sağlamlığı ve voltaj düşürmesini derinlikle kontrol ediyor.

Şimdiki yüksek hızlı sinyallerin hızlılığıyla, sinyal kenarları daha hızlı geliyor, çip elektrik teslimatı daha düşürüyor ve saat frekansiyeti ve veri okuma hızı daha fazla enerji tüketmesi gerekiyor. Elektronik sistemlerinde sinyal bütünlük aynı anda analiz ve araştırma zamanı, elektronik sistemlerine nasıl stabil ve güvenilir gücü sağlayacağını da önemli araştırma yöntemlerinden biri oldu. Elektrik integritet mühendisliğin in analiz metodları ve praktikleri hala sürekli keşfetme sahnesinde. Simülasyon teknolojisi, üretim ve sınama şartları uygulayan tüm plan ın ve tasarlama kriterilerinin önünde ürün tasarımının başlangıçta mümkün olduğunca kadar güç integritet sorunlarını çözmek için kullanılır. Ürünün maliyetlerini azaltıp geliştirme döngüsünü kısayabilir. Şu anda bazı EDA araçları güç yetenekliliğini (Güç Integrity, PI) simülasyon analiz fonksiyonlarını sağlar. Aralarında Allegro iyi etkileşimli bir çalışma arayüzü sağlıyor ve ön ön ön ön ürünleriyle Cadence, Orcad ve Capture ile yakınlaştırılmış. Yüksek kompleks PCB tasarımı en mükemmel çözüm sağlar. Bu kağıtda, Allegro'daki Cadence PI komponenti ARM11 çekirdek sisteminin güç integritesini analiz etmek için kullanılır ve simülasyon analizinin sonuçlarını doğrulamak için basılı devre tahtasının güç integritesini test etmek için kullanılır.

1.Güç integritesinin teoretik analizi

1.1Elektrik dağıtım sistemi

Elektronik sistemde, elektrik temsil altı sisteminin fonksiyonu, tüm cihazlar için stabil bir voltaj referansı ve yeterli sürücü akışını sağlamaktır. Bu yüzden, elektrik temizleme devresi ve fonksiyonel devre düşük impedance güç bağlantısı ve yeryüzü bağlantısı olmalı. Ideal bir güç sistemi 0'nun imkansızlığı var ve uçaktaki her noktada potansiyel sürekli, fakat gerçek güç sistemi karmaşık parazitik kapasitesi ve induktans ile karmaşık bir parazit kapasitesi ve elektrik sağlaması elektrik sağlaması çipi tarafından sağlamış güç güç voltasyonu ideal sürekli değer değildir.

Power Distribution System (PDS) hedef impedance, Voltage Regulator Module (VPM), güç/yer uçağı, kapasiteleri ve yüksek frekans keramik kapasitelerinden oluşur.

Elektrik yeteneğin in problemi yüksek hızlı sistemlerindeki enerji dağıtımın farklı frekanslarda farklı giriş engelleri olduğunu gösteriyor. Bu yüzden gürültü sırasından gelen ♳I ve enerji sağlamı/toprak uçağı üzerinde geçici yük sırasından gelen güç dağıtımın nedeni ♳I'nin oluşturduğunu gösteriyor. Bu voltaj fluksiyonu, bir taraftan, dizital sinyali için stabil bir voltaj referansı sağlayacak uça ğı etkiler, diğer taraftan, sağlamış güç sağlamı voltajını dağıtıp cihazın performansını etkileyecek. Uçak voltaj fluktuyası aygıtın tolerans menzilini aştığında sistem normalde çalışmayacak. Elektrik dağıtım sisteminin tasarımının anahtarı, formül olarak tanımlanan hedef impedance Z'dir (1):

Formülde, Vdd, çip elektrik tasarrufu voltajıdır, sırf sistem tarafından izin verilen voltaj fluksiyonu ve ♳Imax yük çipinin maksimum geçici günlük değişikliği. Elektrik tasarruf sisteminin amacı, sınırlı bir cevap zamanında sürekli bir voltaj değerini sağlayabilmek için yeterince düşük enerji tasarrufu engellemesi gerekiyor.

1.2Güç integritesini çözmenin yöntemleri

Voltage düzenleme modülleri, güç/yer uçakları, kapasiteleri ve yüksek frekans keramik kapasiteleri farklı frekans menzillerinde elektrik dağıtım sisteminin engellemesinde kararlı bir rol oynuyor. 1KHz'in düşük frekans menzilinde birkaç Hz'e kadar voltaj ayarlaması yük voltajını ayarlamak için çıkış akışını ayarlar; Birkaç MHZ'ye yüzlerce MHZ'ye kadar orta menzil frekans menzilinde, enerji teslimatı sesi genellikle PCB'nin güç/yeryüzü uçak çifti tarafından filtrelenir; 1 GHz üzerinde yüksek frekans kısmında, enerji teslimatı sesi genellikle PCB'nin enerji/yeryüzü uçak çifti ve çip içerisindeki yüksek frekans kapasitörü ile filtrenir. Güç integritet simülasyonu yaparken, gerçekten anlamlı frekans grubu genellikle birkaç MHZ ile birkaç yüz MHZ frekans grubunda. Şu anda güç yeteneğinin sorunu çözmek için iki ana yol var:

Biri, PCB'nin stack tasarımı ve düzenini iyileştirmek. Yüksek hızlı PCB tasarımında, bütün bakra katı genellikle giriş impedansını azaltmak için güç/yer uça ğı olarak kullanılır. Elektrik tasarımı ve yeryüzü uça ğı uçak kapasitörü olarak kabul edilebilir, özellikle düşük ortalama frekans aşağısında, ekvivalent seri dirençliği ve ekvivalent seri indukatörü çok küçük, ve bunun iyi çözümlenme ve filtreleme özellikleri vardır. İlk aşamadaki sinyal integritet ve mevcut üretim standartları tarafından yapılan impedans eşleşmesini birleştirmek, karışık katmanın boşluğunu mantıklı ayarlamak ve uygun karışık tahta kapasitesi değerini seçmek, yüksek hızlı tasarımın güç integritesini iyileştirebilir. Elektrik tasarımının ve toprak uçağının kapasitesi değeri formül olarak tahmin edilebilir (2):

Formülde εo=8,854 pF; εr=4, 5 (FR-4 materyal kalibre değeri); A güç katmanının bakra alanı (m2); d, bakra güç katları arasındaki aralık (m). Simülasyon sonuçlarına göre, küçük planar kapasitörü C'nin daha yüksek impedans cevabı ve daha yüksek rezonans frekansı vardır.

İkincisi, kapasiteleri düzenlemek. Şu anda güç bütünlük sorunlarını çözmenin en etkili yolu bu. Yüksek frekans sistemlerinde, elektrik dağıtım sistemindeki parazitik indukatör ihmal edilemez, elektrik dağıtım sisteminin engellemesine doğrudan yol açar. Kapacitans ve induktans frekans alanında tersi özellikleri olduğundan dolayı, induktans yüzünden impedans arttığını azaltmak için kapasitet eklemenin metodu kullanılabilir. Aynı zamanda, kapasitörün enerji depolama etkisi var ve şu anki talebini çok hızlı bir hızla değiştirmeye cevap verebilir, böylece yerel bölgedeki enerji teslimatının geçici tepki kapasitesini etkili olarak geliştirebilir. Nasıl uygun bir kapasite değeri olan bir kapasitörü seçip kapasitörün düzgün yerleştirilmesini ve güç dağıtım sisteminin engellemesi, PCB sisteminin bütün operasyon frekans menzilindeki hedef impedansından daha az olması için güç yeteneğinin sorunu çözmesi için anahtar oldu. Cadence PI'nin yardımıyla geliştirme etkinliğini geliştirmek için hızlı karar verilebilir.

2.Güç integritet simülasyonu

2. 1ARM11 çekirdek sistemi

Bu makalede, Cadence PI ARM11 çekirdek sisteminin güç integritesini analiz etmek için simülasyon aracı olarak kullanılır. Bu makaledeki ARM11 çekirdek sistemi S3C6410 çipi kullanır. S3C6410, ARM11 mimar, FBGA paketi ve çoklu güç malzemeleri gereken bir çip. Bu makalede, çip'in 2 çalışma voltajı var:1.2 V çekirdek enerji temsili, 26 elektrik temsili pins (10 çekirdek elektrik temsili pins, 16 logik elektrik temsili pins); İçeri/çıkış arayüz enerji temsili 3.3 V, 30 I/O elektrik temsili pipini var. Çip içerisindeki çalışma frekansı 667 MHz ve dış hafıza giriş/çıkış arayüzünün çalışma frekansı 266 MHz. ARM11 çekirdek sistemi 8 katlı bir takım yapısını kabul ediyor ve katlar arasındaki yer sinyal simülasyonu uygulama ve üretim standartlarının önünde ayarlanıyor. Bu makale ARM11 çekirdek voltaj elektrik teslimatı ağının güç integritesini simüle etmek için Cadence PI'yi kullanır.

S3C6410 çip veri kitabına göre, çevre tüketimin %200 mA artı %100 toleransiydir, sistemin sağlayabilen voltaj fluktasyon değeri %4 ve çekirdek voltaj 1.2V. Formüle göre (1), hedef impedance simülasyonunda ayarlandı. 0.12 Ω.

2.2 Güç integritet simülasyonu

2.2.1 Tek düğüm simülasyonu, analiz, kapasitör seçiminin doğrulaması ve optimizasyonu

Tek düğüm simülasyonunda enerji sistemindeki her komponentin gerçek fiziksel bağlantısı ihmal ediliyor. Elektrik tasarımının VRM modülünü düzenleyen voltaj, simulasyon heyecanlandırma kaynağı, ağımdaki kaynağı ve tüm kapasitörler paralel, tek düğüm simülasyonu hedef impedance kapasitesini korumak için gerekenleri elde edebilir.

2.2.2 Çoklu düğüm simülasyonu, düzeni iyileştirmek için kapasiteleri boşaltma yerini

Tek düğüm simülasyonu, daha doğru sonuçları almak için dekorasyon kapasitelerinin düzenini düşünmediğinden dolayı, ses kaynaklarının yerleştirilmesini ve kapasitelerinin değerlendirmesini ve tam frekans menzilinde çoklu düğüm simülasyonu gerçekleştirmeyi düşünün. Çoklu düğüm simülasyonunda Cadence PI, kullanıcı tanımlarıyla ve modellerine göre enerji uçağını çoklu grilere bölüyor. Sonra, yerleştirilen kapasitör, voltaj düzenleme modulu VRM ve ses kaynağı özel grid ile bağlantılıyor. Sıra noktaları her düğümün frekans-impedans simülasyonu dalga formunu oluşturmak için bağlantılı.

Daha yüksek doğruluğu elde etmek için, sistemin en yüksek frekanslarına uygun dalga uzunluğunun 1/10'den daha büyük olmalı.

2.2.3 Elektrik uçağının statik IR-Drop DC voltaj düşüşünün analizi

Çip normalde çalışması için, elektrik teslimatı voltajı mümkün olan fluktuasyon menzilinde sınırlı olmalı. Güç değişiklikleri iki parçası tarafından sebep oluyor: DC kaybı ve AC sesi. DC IR-Drop DC kaybının en önemli sebebi. statik IR-Drop DC voltaj düşüşümün genellikle metal bağlantısının genişliğine ve kullanılan katmanın, yoldan akışan akışın, viaların sayısına ve yerine bağlı. Cadence PI'de elektrik teslimatı pinlerini ayarladıktan sonra, dizim tamamlandıktan sonra ARM11 çekirdek elektrik teslimatı voltaj ağının DC voltaj düşümünü analiz edin. ARM11 çekirdek sisteminin çalışma frekansiyeti 667 MHz olduğunda, 1.2 V DC voltajı Olabilir fluktasyon menzili +/-0.05 V. Cadence PI simülasyonu yazılımı VDD_ARM ağının voltaj hızını hesaplıyor. Drop'ın maksimum değeri 0.013 V'dir, bu da +/-0.05 V'nin mümkün olduğu fluktasyon menzilinden daha az ve S3C6410'in çalışma voltaj ihtiyaçlarına uyuyor ve sistemin stabiliyetini sağlayabilir.

2.2.4 Güç uçağı şimdiki yoğunlukta analizi

Elektrik uça ğında çok fazla viaj veya mantıksız dağıtım olduğunda, akışım, bu bölgede aşırı ağır bir bölge arasından akışlayacak. Elektrik uça ğındaki en büyük şiddet alanı sıcak bir nokta denir. Sıcak nokta ciddi sıcak stabillik sorunlarına sebep olabilir. Bu yüzden, masanın şimdiki yoğunluğu üniformasının dağıtımını sağlamak ve anahtar çiplerinden yakın ve hızlı izlerinden kaçırmak gerekiyor. Sıcak noktalar görünüyor.

3.PCB güç bütünlüğü test

Dört tahtasının ilk versiyonunda Cadence PI analizi kullanılmadı, fakat bazı devre kapasiteleri deneyimlere dayalı yerleştirildi. Araştırma sırasında, yüksek hızlı dijital sinyalin dalga formunun iyi olmadığını ve bazen hatalar vardı. İkinci düzende Cadence PI analizi aracılığıyla kapasitörlerin sayısı ve pozisyonu ve bazı orijinal düzeni ayarlandı.

1.2 V değiştirme güç tasarımı enerji uçağı için yaklaşık 0_2～0.8A'nin çıkış akışını sağlar. Dinamik yük sürekli voltajda olduğunda, çıkış impedansı periyodik olarak değişir ve şu and a amplitüs aynı döngüde 0,2～0,8 A atlamasını tamamlayabilir. Cadence PI analizinden sonra üretilen ikinci versiyonun PCB'nin güç yeteneğinin büyük gelişmesinden sonra verilerden görülebilir.

4. Sonuç

Cadence PI'nin simulasyon analizinden sonra ARM11 çekirdek sistemi PCB tahtası üretildi. Döngü ölçüsünün gerçek ölçüsü ile her elektrik dağıtım sistemi çok iyi çalışabileceğini buldu. Bu, basitçe simülasyon sonuçlarıyla uyumlu. Yüksek hızlı sistem frekanslarının artması ile elektrik dağıtım sistemi daha karmaşık olur ve mühendislik üretim maliyeti ve döngüsü kesinlikle kontrol edilir. Elektronik sistemleri tasarlandığında, güç integritet simülasyonu analizi sistem seviyesinde gerçek sistemin davranışlarını simüle etmek için gerçek sistemin davranışlarını yapılır, tasarım etkinliğini geliştirir ve tasarım hatalarını azaltmak için gerekli.