電源完整性知多少?這四個要點請收藏

電源完整性知多少?這四個要點請收藏

廣元老師

仿真秀專欄作者

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所有的產品離不開電源,從芯片級到封裝級再到板級,從晶體管到鍵合線再到銅箔,電源的協同設計可以貫穿整個產品級。電源如此重要,卻充滿著設計挑戰,從耦合到串擾再到噪聲,如何保證電源的輸送是電源工程師必須要考慮和解決的。

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阻抗的管控說到底就是路徑管控液冷通道參數化建模

電源輸送可以理解為電源分配網絡(PDN),從源端穩壓模塊(VRM)到芯片,芯片分配電壓,再到電源路徑(單層直達或過孔轉換的幾個層面),最終流向使用芯片或終端設備。
電源路徑與信號路徑是有區別的,電源分配網絡中一個電源路徑可以在一個節點分成多個路徑,或者說轉換成多個電源,終端掛多個元器件,可以理解為一對多,而信號路徑只能一對一。
既然電源分配網絡是為終端設備提供所需電源,那就是有要求,就需要對電源分配網絡管控。當交流電流通過電源路徑時,電源分配網絡上也將產生電壓降,這個壓降會隨著頻率發生變化。電源路徑的不同(層數&Shape寬度等),造成的壓降變化是不同的,輸出穩定電壓到終端的難度很大,我們所要做的只是保證電壓的變化在一定的范圍之內,也就是所謂的噪聲容差,將其轉換為目標阻抗:
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一般默認,電流為最大電流值的50%。PCB板級PDN設計,最先需要確定的便是電源分配網絡的目標阻抗。
說到目標阻抗管控,在實際工作中,鋪電源網絡,即電源從源端到終端的路徑,路徑上電壓是有變化的,那么電源分配網絡的電流就會有波動,目標阻抗的管控說到底就是路徑管控。如何管控?兩個方向:電源和地平面的介質和短而寬的連接。
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電源分配網絡(PDN)分析方向

電源分配網絡(PDN)有兩種分析方向:單點式和分布式。
單點式分析假設平面電壓為常量,終端的去耦電容為并聯,這里主要考慮的是諧振與反諧振,低頻情況下,可以忽略平面電感的影響,但是還是要考慮平面電感和平面間距的影響。
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平面電感可以看成為分布式電壓,有平面有變化的電壓,會產生駐波(全波即為360°相移,半波則為180°反相),就會在一些頻率處產生諧振。
任何諧振電磁結構中存儲的能量(電&磁)在一段時間內都會在電場和磁場之間周期性振蕩,這說明能量在交替變換,在最大值和零值之間。
以版圖設計的平面,可以理解為矩形諧振腔為例,能量到達平面邊緣,會發生反射。反射回來的能量會和入射能量進行交換,相位相同形成最大值,即波峰,相位相反形成形成零值,即波谷。有些達到平面邊緣的能量沒有反射回來,就會形成噪聲,產生EMI問題。
在平面諧振的頻率點上,去耦電容的位置就很關鍵,需要它們放在電壓的最大值處以便更好地減少平面間的反彈。

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消費類產品電源設計

下圖為消費類產品設計電源部分的實際情況圖:

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板級電源分配網絡設計的頻率范圍約從 1MHz 到 100 MHz,其實根本到不了100M,這個頻率范圍電路板平面和多層陶瓷貼片電容器( MLCC) 發揮作用的頻率范圍 。這也是PCB板級電源仿真時需要重點關注的。

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PDN設計一般就是指在PCB板級上給電源提供低阻抗路徑。這里面還有電容擺放位置、電容不同容值&個數、反諧振等方面,到仿真這一邊,就是交流部分:PDN阻抗提取和直流部分:IR Drop壓降。下圖說明,是否使能電容對PDN阻抗的影響很大。
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電源路徑規劃怎么做?

先期評估,確認各個電所需層面和路徑的時候,我們會預先根據相關規范或標準,制定一個電源樹(Power tree)。個人覺得電源樹的概念提的特別好。一個主干道有很多分支,分支上再有分叉,一直到末端。
電源分配網絡可以有很多分支,也就是說路徑上可以掛很多設備,比如5V電源下掛HDD,USB設備等。比如12 V的電轉出5V,5V總電分出分支,給到各種設備。5V經過LDO轉換電路出3.3V電,,3.3V總電分出分支,再往下繼續……
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同時列出各個分支所需電流的多少,為后面路徑規劃(所需電源Shape大小給出標準),同時給出對應的層面及評估。
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在做電源路徑規劃,建議先做電源樹Power Tree,對所做設計的終端設備所需電壓路徑及所需電流大小一一評估,產品的不同,有的產品可能會使用幾十種電壓值。檢查的時候,建議從終端往前反推,這樣保證沒有遺漏。
不管什么產品,電源是其最重要的部分。特別是消費類產品,在成本的管控之下,會通過各種手段降低成本,最直觀的減小MLCC的使用種類和數量,電源的優化是一項很重要的工作,通過優化,來降低產品成本,這也是電源完整性的作用和職責所在。

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