板级电源分配网络的分析与仿真
在硬件电路设计中,电源系统的设计是关键步骤之一,良好的电源系统为电路板
上各种信号的传输提供了保障。本章将研究电源完整性的相关问题,并提出一系列改
进电源质量的措施。
3.1
电源完整性
电源完整性(
Power Integrity
)简称为
PI
,是指电源分配网络(
Power Distribution
Network
,
PDN
)能够满足负载芯片对电源的需求。其设计目标主要有两个:一是为
负载提供干净的供电电压,二是为信号提供低噪声的参考路径
[21]
。
随着芯片开关速度和晶体管数量的不断提高,芯片的功耗不断增加,开关在切换
时所需的瞬态电流需求越来越大,这些变化给电源分配网络的设计提出了巨大的挑战。
电源分配网络主要由如下几部分组成:电源芯片、安装在
PCB
板上的电容以及芯片
内部的电容和电源网络。本文主要针对安装在
PCB
板上的电容、电源和地平面进行
分析。
3.1.1
电源噪声的来源
电源噪声的来源主要包括三个方面:
(
1
)电源芯片输出存在纹波。这部分噪声由芯片的制作工艺以及工作原理等决
定,当选择好电源芯片时,相应的输出噪声就会存在。常用的电源芯片有开关电源和
线性电源两种。开关电源的优点是发热少,转换效率高,一般可以达到
85%
,输出电
流大,缺点是输出的波动较大,且可能会有尖峰脉冲,需要在输出端添加磁珠来改善。
而线性电源的发热较为明显,转换效率较低,但是线性电源的输出稳定,纹波较小。
要根据供电要求灵活选用。
(2)稳压电源无法及时响应快速变化的负载电流需求。随着芯片工作频率的不
断提高,芯片需要的电流变化的频率也越来越高,当该频率超过稳压电源的调整频
率时,稳压电源就无法及时为负载提供足够的电流,进而导致输出电压下降,产生
电源噪声。
(3)电源路径和地路径上存在压降
[22]
。由于电源路径和地路径存在阻抗,当电
流流过这些路径时,就会产生压降,因此负载电压就会随着电流的变化而产生波动。
同时过孔、封装引脚和芯片内部的电源网络也存在阻抗,都会产生压降。
3.1.2
建立仿真模型
仿真软件选择
Cadence
公司的
Allegro PCB PI Option XL
组件,该组件可进行电
源噪声分析和高速
PCB
电源分配系统的设计,其仿真功能主要分为单节点仿真和多
节点仿真两种
[23]
。单节点仿真仅考虑电容的去耦能力和目标阻抗之间的关系,通过该
仿真可以对比不同去耦电容网络的去耦能力的差别,方便用户选择合适的去耦电容网
络。多节点仿真则会考虑噪声源信号、电容的滤波半径和电容的布局等参数,该仿真
结果更接近真实的情况,通过多节点仿真可以完成去耦电容的布局工作。仿真软件的
基本使用流程如图
3.1
所示。
由于本章的主要内容在于电源完整性相关问题的分析与仿真,故电路模型的设计
重点放在电源分配网络的建立上,不考虑其余的外围电路。按照上述设计流程建立如
图
3.2
所示的预布局仿真模型。
如图
3.2
所示,该仿真模型的尺寸为
55*47.5mm
,具体电路包括:
DSP
控制芯片
TMS320F28335
、
1.9V
电源芯片
TPS74401
、
3.3V
电源芯片
TPS75633
以及由收发器
MAX490
和光电隔离芯片
HCPL0600
构成的上位通信接口电路;
14
芯排针则作为接
插件,引入该模型所需要的
5V
电源。电路的工作频率取
DSP
的工作频率
150MHz
。
需要说明的是,在进行电源完整性仿真时,
DSP
芯片和上位通信接口电路仅起噪声源
的作用,不考虑其实际的电路功能。
在完成预布局的基础上对仿真模型进行电源层划分,该模型所用到的电源有:
1.9V
、
3.3V
、
5V
和
GND
。划分好的电源平面如图
3.3
所示。
如图
3.3
所示,该模型的电源层一共划分为
3
层:第(
1
)层为完整的地平面;
第 (2)层则进行分割,划分为 1.9V
电源平面和
5V
电源平面;
第(3)层为完整的
3.3V
电源平面。各个电源层之间的间距设置为
8mil
。
3.2
去耦电容
为了使电源芯片的输出能够快速响应负载芯片的需求,主要采用的方法是在电源
芯片的输入输出引脚和负载芯片的供电引脚周围放置去耦电容
[24]。本节将重点分析
电容的去耦原理和频域阻抗特性,并通过仿真提出改善电容去耦能力的措施。
3.2.1
电容去耦原理
电容去耦的原理可以从储能和阻抗两个角度进行理解。
(
1
)储能去耦原理
图
3.4
给出了电容的储能去耦原理,
C
为电源芯片外放置的去耦电容组合。当负
载电流保持不变时,电源电压和电容两端的电压也不变,且与负载芯片两端的电压一
致,此时流过电容的电流为零,负载所需的电流由电源提供。当负载芯片的电流快速
变化时,需要电源能够立即提供给负载芯片所需的电流,但是电源往往不能及时响应
负载电流的变化,这就会导致负载芯片的电压产生变化。此时电容两端的电压也会随
着负载电压的变化而变化,电容就会进行充放电并产生电流
为负载芯片提供电流,
从而保证负载芯片的电压不会产生明显的变化
[25]
。
从储能的角度来理解去耦电容的作用比较直观,但是对于电路设计却没有多大的
帮助,因此需要从阻抗的角度理解电容的去耦原理。
(2)阻抗去耦原理
将图
3.4
中的负载芯片去掉,可以得到如图
3.5
所示的模型。从该模型的输出端
看进去,将电源与电容组合
C
当做一个整体的电源系统,即可以简化为图
3.6
所示的
电路。
然后在仿真模型内添加电压调节模块(
VRM
)和噪声源,由于
1.9V
电源仅为
DSP
的内核电源引脚供电,因此在
DSP
的位置添加噪声源,并设置噪声电流的最大幅度
为
0.5A
。为了对比不同布局情况下的去耦效果,将分两种方式对去耦电容进行布局。
首先采用第一种方式进行布局,即将小电容均匀放置在最靠近
DSP
芯片的位置,
而大电容则适当远离
DSP
芯片放置,这种电容布局方式如图
3.17
所示。同时可以看
到,组件会自动在模型中设置多个仿真节点,这里选择位于
DSP
下方的四个仿真节
点进行仿真。多节点仿真结果如图
3.18
所示。
3.3
提升电源质量的措施
通过分析电容的实际特性、并联特性和安装后的特性,对比不同的电容网络选择
方法的去耦效果,可以得出一系列能够改善电源分配网络去耦效果的方法。在电路板
的设计过程中,具体可以采取以下方法来改善电路的电源完整性:
(
1
)要合理选择电源芯片,兼顾转换效率与输出纹波。同时针对不同的场景灵
活选用线性电源和开关电源,比如给对电源比较敏感的模拟电路供电时,可以选择输
出噪声低的线性电源。
(2)去耦电容网络的选择尽量采用
Multi-Pole
(
MP
)方法,选择多种电容值的
电容搭配使用,避免使用容值差较大的去耦电容网络,为了兼顾成本与去耦效果,可
以使用
One per decade
方法来选择去耦电容。
(3)摆放电容时要考虑其去耦半径的大小,小电容要靠近芯片,而大电容可以
摆放的远一些。同时去耦电容要均布在芯片四周,不同电压的去耦电容要交替摆放。
(4)安装电容时,减小电容走线的长度,同时要加宽走线的宽度。这样可以保
证其电流回路面积较小,减少了安装电感对电容去耦效果的影响。
(5)电源平面和地平面的层叠设置要合理,尽量使电源平面与其对应的地平面
相邻。分割电源平面时尽量保证形状规则,使平面的阻抗均匀。
信迈提供高速信号仿真方案。