PCB部落格 - PCB板電源系統的分析與設計

今天, 高速電機的設計 電路板 如果不徹底掌握晶片的電源系統特性，電子系統就很難成功, 包結構, 和 PCB板. 事實上, 為了滿足較低的供電電壓, 更快的訊號反轉速度, 更高的集成度, 以及越來越具有挑戰性的要求, 許多處於電子設計前沿的公司都在產品設計過程中確保供電. 和信號完整性, 很多錢, 勞動力, 並投入物力對供電系統進行分析. 這個 analysis 和 design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, 尤其是在電腦領域, 電晶體, 通信, 網絡, 和消費電子行業. 隨著超大規模集成電路科技不可避免的進一步擴展, 集成電路的供電電壓將繼續降低. 隨著越來越多的製造商從130nm科技轉向90nm科技, 可以預見，電源電壓將降至1.2V甚至更低, 而電流也會顯著增加. 從直流紅外壓降到交流動態電壓波動控制, 因為允許的雜訊範圍越來越小, 這種發展趨勢給供電系統的設計帶來了巨大的挑戰.

PCB板電源系統設計概述

通常在交流分析中，電源接地之間的輸入阻抗是用於量測電源系統特性的重要觀察值。 該觀察結果的確定演變為直流分析中IR降的計算。 無論是在直流還是交流分析中，影響電源系統特性的因素有：PCB板的分層、電源板層平面的形狀、組件的佈局以及過孔和引脚的分佈等。電源接地之間的輸入阻抗概念可用於上述因素的模擬和分析。 例如，電源對地輸入阻抗的一個非常廣泛的應用是評估板上去耦電容器的放置。 在電路板上放置一定數量的去耦電容器，可以抑制電路板本身的獨特諧振，從而减少雜訊的產生，還可以减少電路板的邊緣輻射，以緩解電磁相容性問題。 為了提高供電系統的可靠性，降低系統的製造成本，系統設計工程師必須經常考慮如何經濟高效地選擇去耦電容器的系統佈局。 高速電路系統中的電源系統通常可以分為3個物理子系統：晶片、集成電路封裝結構和PCB板。 晶片上的電網由交替放置的幾層金屬層組成。 每個金屬層由X或Y方向的金屬條組成，形成電源或接地網，通孔連接不同層的金屬條。 對於一些高性能晶片，許多去耦單元集成到覈心或IO的電源中。 集成電路封裝結構類似於簡化的PCB板，具有多層形狀複雜的電源或接地層。 在封裝結構的上表面，通常有去耦電容器的安裝位置。 PCB板通常包含一個連續的大面積電源和接地層，以及一些大小離散去耦電容器組件和一個功率整流模組（VRM）。 鍵合線、C4凸點和焊球將晶片、封裝和PCB連接在一起。 整個電源系統必須確保為每個積體電路設備提供正常範圍內的穩定電壓。 然而，這些電源系統中的開關電流和寄生高頻效應總是會引入電壓雜訊。 可以計算其電壓變化：其中ÎV是在設備上觀察到的電壓波動，而ÎI是開關電流。 Z是在設備上觀察到的整個電源系統的電源和接地之間的輸入阻抗。 為了减少電壓波動，保持電源和接地之間的低電阻。 在直流情况下，由於Z成為純電阻，低電阻對應於低電源電壓降。 在交流情况下，低電阻還降低了開關電流產生的瞬態雜訊。 當然，這需要Z在寬頻帶上保持較小。 請注意，電源和接地通常用作訊號回路和基準面，囙此電源系統和訊號分配系統之間有著密切的關係。 然而，由於篇幅限制，本文將不討論由同步開關雜訊（IO SSO）引入的電源系統中的雜訊現象和電流環路控制問題。 以下各節將忽略訊號系統，僅側重於電源系統的分析。

直流-紅外壓降

由於晶片電網的特徵尺寸很小（幾微米甚至更小），晶片中的電阻損耗嚴重，囙此晶片中的紅外壓降得到了廣泛的研究。 在以下情况下，PCB上的IR電壓降（在幾十到幾百毫伏的範圍內）也會對高速系統設計產生更大的影響。 在電源板層，由於Swiss Chess結構、Neck Down結構和動態佈線，板平面被劃分（圖1）； 電流通過電源板層的器件引脚、通孔、焊球和C4凸點電源板數量不足、電源板厚度不足、電流路徑不平衡等。； 系統設計需要低電壓、大電流和更嚴格的電壓浮動範圍。 例如，具有高密度和高管脚數的設備通常會由於大量的過孔和反焊盤而對晶片封裝結構和PCB板的配電層形成所謂的瑞士象棋結構效應。 瑞士象棋結構產生許多高電阻的微小金屬區域。 取決於電源系統，存在高電阻電流路徑，囙此當前發送到PCB上組件的電壓可能低於設計要求。 囙此，良好的直流-紅外壓降類比是估計電源系統允許壓降範圍的關鍵。 通過分析各種可能性，為放置前後和佈線提供設計解決方案或規則。 佈局工程師、系統工程師、信號完整性工程師和電源設計工程師也可以將IR壓降分析納入constraint manager中，作為對PCB上每個電源和接地網表執行設計規則檢查的最後一步。 檢查工具（DRC）。 通過自動化軟件分析的設計流程可以避免複雜電源系統結構上的佈局和佈線問題，這些問題無法通過目視檢查甚至經驗來發現。 圖2顯示，IR壓降分析可以準確地確定高性能PCB上電源系統中臨界電壓和電流的分佈。

交流電源接地阻抗分析

許多人知道，一對金屬板構成一個板電容器，囙此他們認為功率板層的特點是提供板電容，以確保電源電壓的穩定性。 當頻率較低且訊號波長遠大於面板尺寸時，電源板層和地板確實形成電容器。 然而，當頻率新增時，功率平面層的特性開始變得複雜。 更準確地說，一對平板構成平板傳輸線系統。 電源和地面之間的雜訊或相應的電磁場按照傳輸線原理在電路板之間傳播。 當雜訊訊號傳播到面板邊緣時，高頻能量的一部分被輻射，但更大的部分被反射回來。 來自板的不同邊界的多次反射構成PCB板中的共振現象。 在交流分析中，PCB板的電源對地阻抗諧振是一種獨特的現象。 為了進行比較，還繪製了純電容器和純電感的阻抗特性。 板的尺寸為30cm—20cm，板間距為100um，填充介質為FR4資料。 板上的功率整流器模塊替換為3nH電感器。 它是一個20nF電容器，具有純電容阻抗特性。 從圖中可以看出，當板上沒有功率整流模組時，在幾十兆位元組的頻率範圍內，平板的阻抗特性（紅線）與電容（藍線）相同。 在100MHz以上，板的阻抗特性是感性的（沿綠線）。 在達到幾百兆位元組的頻率範圍後，出現的幾個共振峰顯示了板的共振特性，板不再是純感應的。 到目前為止，很明顯，低電阻電源系統（從直流到交流）是獲得低電壓波動的關鍵：减少電感效應，新增電容效應，消除或减少這些諧振峰值是設計目標。

為了降低電源系統的阻抗，應遵循一些設計指南：

1）减少電源和地板層之間的距離；

2）新增板的尺寸；

3）提高填充介質的介電常數；

4）使用多對電源層和地板層。

然而，由於製造或其他一些設計考慮，設計工程師還需要使用一些更靈活有效的方法來改變電源系統的阻抗。 為了降低阻抗並消除這些諧振峰，在PCB上放置離散去耦電容器已成為一種常見方法。

電源系統的輸入阻抗使用Sigrity PowerSI計算：

a、沒有功率整流器模塊，板上沒有放置去耦電容器。

b、功率整流模組通過短路進行類比，板上沒有放置去耦電容器。

c、對功率整流模組進行短路類比，並在板上放置去耦電容器。

在電路板上放置離散去耦電容器，使設計者能够靈活地調整電源系統的阻抗，以實現較低的功率對地雜訊. 然而, 如何選擇放置位置, 選擇多少個, 選擇何種去耦電容器仍然是一系列設計問題. 因此, 通常有必要為特定設計尋求解耦解決方案，並使用適當的設計軟體，對電源系統進行廣泛的模擬 PCB板.