電源完整性（PI）仿真讓電路板更完美

2016-11-11 by:CAE仿真在線來(lái)源:互聯(lián)網(wǎng)

為PCB(印刷電路板)上的芯片提供電能不再是一種簡(jiǎn)單的工作。過(guò)去,通過(guò)細(xì)走線將IC連接到電源和地就行了,這些走線占不了多少空間。當(dāng)芯片速度升高時(shí),就要用低阻抗電源為它們供電,如用PCB上的一個(gè)電源層。有時(shí)候,只需要用四層電路板上的一個(gè)電源層和一個(gè)地層,就可以解決大多數(shù)電源完整性問(wèn)題。除了電源層以外,還可以為每只IC去耦,以解決設(shè)計(jì)中繁瑣的電源問(wèn)題。

不過(guò),現(xiàn)在的PCB空間(還有成本與你的日程)都很緊張,這些問(wèn)題也帶來(lái)了對(duì)電源的影響。

Mentor Graphics公司的仿真與模擬系列產(chǎn)品高級(jí)總監(jiān)Dave Kohlmeier稱:“消費(fèi)設(shè)備與便攜設(shè)備都在為節(jié)省成本而使用更少的PCB層,但它們上面的IC卻需要更多的電壓等級(jí)?！边@些問(wèn)題不僅影響著便攜產(chǎn)品,工業(yè)產(chǎn)品也有空間約束(圖1)。一個(gè)現(xiàn)代蜂窩基站的電路要裝在天線上的一個(gè)小盒子里,而天線通常位于建筑內(nèi)的19英寸機(jī)架中。

在大批量的消費(fèi)產(chǎn)品與汽車產(chǎn)品中,成本是關(guān)鍵因素。在PCB上放一堆可能不需要的電容,肯定是不可接受的。為獲得成功,設(shè)計(jì)周期會(huì)縮短到以周以月計(jì),而不是年。現(xiàn)在,不可能只為了修補(bǔ)和優(yōu)化電源層和地層而花時(shí)間去重做一遍PCB板。

為現(xiàn)代電子產(chǎn)品設(shè)計(jì)電源系統(tǒng)是一個(gè)令人畏懼的挑戰(zhàn)。DDR存儲(chǔ)器工作在1600Mbps,并很快就會(huì)運(yùn)行到四重模式的2200Mbps。更糟糕的是,它是一種單端輸出,意味著你的電源系統(tǒng)必須應(yīng)對(duì)電源電流的突發(fā)性挑戰(zhàn)。器件中的數(shù)字門可能同時(shí)都在開關(guān),電源完整性工程師將這種特性描述為同步開關(guān)噪聲。串行通信有著困難的電源需求。802.3ba以太網(wǎng)標(biāo)準(zhǔn)要求的數(shù)據(jù)速率為40Gbps和100Gbps(參考文獻(xiàn)1)。
現(xiàn)代數(shù)字芯片的運(yùn)行電壓低于1V,這意味著,即使毫伏級(jí)的噪聲也會(huì)造成與數(shù)據(jù)相關(guān)的問(wèn)題。多只芯片會(huì)從統(tǒng)計(jì)上增加和造成電源下降或過(guò)壓?jiǎn)栴}。你的系統(tǒng)可能數(shù)周甚至數(shù)月都運(yùn)行正常,而某個(gè)時(shí)刻所有數(shù)字電路的同時(shí)開關(guān)卻造成系統(tǒng)的重啟。這些電源完整性問(wèn)題都難于查出。系統(tǒng)中單只芯片的電源完整性問(wèn)題可能影響系統(tǒng)的其它芯片,從而導(dǎo)致重啟。美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司的模擬應(yīng)用工程師Paul Grohe指出:“即使納秒級(jí)的電力損失也會(huì)使系統(tǒng)不可靠。”Ansys公司信號(hào)完整性產(chǎn)品經(jīng)理Steve Patel稱,設(shè)計(jì)可靠性的關(guān)鍵在于盡可能減小電源噪聲,意味著數(shù)字系統(tǒng)工程師必須懂得模擬甚至RF的設(shè)計(jì)概念。
電源系統(tǒng)工程師知道,電源系統(tǒng)必須有低的阻抗(圖2),而模擬工程師的概念是,模擬IC電源腳上的噪聲越小越好。與數(shù)字芯片不同,模擬芯片不存在噪聲閾值。PSRR(電源抑制比)規(guī)格說(shuō)明了有多少電源噪聲會(huì)滲入到器件的輸出腳。數(shù)字系統(tǒng)工程師現(xiàn)在也必須應(yīng)付相同的電源噪聲問(wèn)題(見(jiàn)附文“請(qǐng)換個(gè)人跟我談”)。

Sigrity公司產(chǎn)品營(yíng)銷經(jīng)理Brad Brim說(shuō),為芯片提供電能的電源分配網(wǎng)絡(luò)需要有低的等效電感:對(duì)內(nèi)核電壓為0.01nH,對(duì)I/O電源為1nH。他指出,電源層會(huì)將噪聲耦合到信號(hào)中。某些情況下,布放在兩個(gè)地層之間的一根信號(hào)線有15mV的噪聲。當(dāng)布局人員在電源層和地層之間布放相同信號(hào)時(shí),它的噪聲達(dá)45mV。
電源完整性工具可以對(duì)設(shè)計(jì)做出一種決定性的優(yōu)化。當(dāng)你做布局優(yōu)化時(shí),不能使用經(jīng)驗(yàn)性的去耦方法。Ansys公司的Patel稱,軟件能幫助你決定電容的數(shù)量、類型以及成本。這些工具還能告訴你改變各層之間距離的效果。例如,TechDream公司總裁兼創(chuàng)始人Yoshi Fukawa稱,NEC公司的PI(電源完整性)Stream能通過(guò)增加或移動(dòng)電容,改變?nèi)葜岛蛯拥男螤?以及改變電源層與地層之間的距離,幫助你獲得自己的阻抗目標(biāo)。

Mentor公司的Kohlmeier認(rèn)為:“你可以用CAD文件做假設(shè)分析的實(shí)驗(yàn)。這比硬件重試要快得多。這就是虛擬原型的價(jià)值。”因此,仿真軟件的使用就很重要,這樣可以在設(shè)計(jì)階段的早期做出關(guān)鍵性的決策。改變電容位置、電容數(shù)量以及其它變量也許不會(huì)影響到其它部門,但為了提高層間電容而減少層間距離,則會(huì)影響整個(gè)設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)(圖3)。Sanmina-SCI有專利的現(xiàn)代制造方法,可以設(shè)計(jì)出4mil介電質(zhì)的層間厚度,增加了層間的電容。

解決問(wèn)題的方法

Kohlmeier表示,電源完整性仿真要比很多工程師的預(yù)期更加困難,因?yàn)楸仨毧紤]每只電容、連接過(guò)孔,以及功率層的結(jié)構(gòu)。他指出,連接兩個(gè)層面的過(guò)孔會(huì)降低供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗,因此它和電容一樣重要。與電源完整性不同,信號(hào)完整性一般會(huì)涉及一些走線,用示波器就可以在時(shí)域中測(cè)量信號(hào)完整性。使用Port 1至Port 1的Z11阻抗曲線,對(duì)電源完整性的仿真可以得到頻域的阻抗。

要了解一個(gè)功率層的阻抗問(wèn)題,需要一臺(tái)VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀),它很難使用。仿真是測(cè)量的補(bǔ)充,而不是替代,它們能在制造前就提供出有關(guān)PCB性能的重要信息。Sigrity公司的Brim稱:“無(wú)論你的仿真軟件有多快,也快不過(guò)一次測(cè)量?！辈贿^(guò)他指出,你得有一塊已制造好的PCB才能做快速測(cè)量。

你必須相信IC設(shè)計(jì)者已完成的工作,相信所使用的芯片沒(méi)有電源完整性問(wèn)題。Ansys公司的Patel稱,“IC及其打線都不是電源完整性的關(guān)鍵,”因?yàn)镮C電源管腳與打線都是并聯(lián)的(圖4)。Mentor Graphics公司HyperLynx的工程總監(jiān)Steve Kaufer就認(rèn)為,那些缺乏避免電源完整性和信號(hào)完整性問(wèn)題的技術(shù)知識(shí)的布局工程師們,則經(jīng)常是問(wèn)題的根源。

電源完整性軟件能幫助你解決直流和交流問(wèn)題,另外電源層與地層之間的空穴都是RF波導(dǎo)。為處理直流問(wèn)題,必須確保PCB層可以承載需要提供的電流量。為處理交流問(wèn)題,必須確保電源系統(tǒng)可以為現(xiàn)代芯片提供所需的快速變化電流。最后,注意波導(dǎo)的行為可能是非直觀的。RF問(wèn)題在防備EMI(電磁干擾)問(wèn)題時(shí)很重要,它會(huì)使你的電路板無(wú)法通過(guò)FCC(聯(lián)邦通信委員會(huì))的認(rèn)證。如果設(shè)計(jì)采用了大的板面,則使用仿真就很重要,大板面會(huì)產(chǎn)生諧振。如果你的板面會(huì)從層間空腔發(fā)射出RF,則用適當(dāng)?shù)能浖抡婵梢詭椭鶨MI工程師解決這類問(wèn)題。糾正方法可以是圍繞電路板邊緣布放電容。Sun Microsystems公司有一個(gè)專利6727780,它使用與電容串聯(lián)的電阻,這樣RF能量就能在電路板邊緣被吸收,而不會(huì)反射回結(jié)構(gòu)內(nèi)。
數(shù)字芯片要求有大的電流,這可能造成直流電源的供電問(wèn)題(參考文獻(xiàn)2)。FPGA和其它數(shù)字芯片都需要很多種電源電壓,因此,必須將電源層分割開,以提供多個(gè)電壓軌。數(shù)字芯片還有幾百個(gè)管腳,需要數(shù)百只過(guò)孔,會(huì)覆蓋電源層和地層的廣大銅箔區(qū)域。必須確保在為這些層所選擇的銅箔上,電流密度保持低于某個(gè)合理值(圖5)。

高的直流電流也會(huì)造成熱問(wèn)題。銅的溫度系數(shù)為0.4%/°C,即溫度每升高25°C,電阻增加10%。這種電阻的增長(zhǎng)出現(xiàn)在沉重負(fù)載下,此時(shí)可靠性非常關(guān)鍵。電阻的增長(zhǎng)亦使溫度升高,減少了電路板上元器件的壽命。
一旦有了充足的銅箔提供直流負(fù)載,就要注意電源層的交流設(shè)計(jì)(圖6)。電源完整性仿真能夠檢查返回電流流經(jīng)電源層的位置。在運(yùn)行時(shí),一只數(shù)字芯片獲得的電流強(qiáng)度是不同的,而且以納秒為單位變化。電源系統(tǒng)必須有足夠低的交流阻抗,能隨電流而變化(表達(dá)式為di/dt,即電流導(dǎo)數(shù)/時(shí)間導(dǎo)數(shù)),從而不致使芯片管腳的電源電壓發(fā)生大的變化。由于di/dt也會(huì)發(fā)射電磁能量,這些偏移可能造成EMI問(wèn)題。因此,信號(hào)完整性、電源完整性和EMI符合性都是相互關(guān)聯(lián)的。如果沒(méi)有仿真,你的設(shè)計(jì)就可能出現(xiàn)過(guò)孔間的串?dāng)_和其它似乎莫名其妙的問(wèn)題。
軟件選擇一個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)的實(shí)際幾何尺寸對(duì)其性能非常重要,因此大多數(shù)軟件供應(yīng)商都在自己的電源完整性工具中使用了場(chǎng)解算器技術(shù)(參考文獻(xiàn)3)。
這些工具應(yīng)能給你一個(gè)快捷答案和精確的結(jié)果。RF-IC與系統(tǒng)設(shè)計(jì)者一般使用全波場(chǎng)解算器,解3D的Maxwell方程。不過(guò),3D場(chǎng)解算器要花很長(zhǎng)時(shí)間才能得到結(jié)果,尤其是用于相對(duì)較大的物理項(xiàng)時(shí),如PCB板。因此,電源完整性供應(yīng)商在自己的電源完整性工具中設(shè)計(jì)了混合型解算器技術(shù)。在解算走線時(shí),這些工具采用一種利用傳輸線理論快速技術(shù)的2D解算器。在仿真平面時(shí),工具可以使用2D或2.5D的有限元技術(shù)。在某些情況下,軟件可以用一種集總參數(shù)元件的電容和電感模型,為過(guò)孔建模。要獲得更精確的結(jié)果,工具可對(duì)過(guò)孔采用一種全波3D解算器。
另外,還可以采用一種全波解算器去仿真3D結(jié)構(gòu)的效果,如連接器管腳以及電源路徑中的其它機(jī)械器件。軟件供應(yīng)商還在自己工具中置入了熱分析功能。可以單獨(dú)使用它,或?qū)崃啃畔⑤敵鼋o一個(gè)專用的熱分析工具,如Mentor Graphics公司的FloTherm,這是一個(gè)CFD(計(jì)算流體動(dòng)力學(xué))的3D仿真環(huán)境。Mentor公司的HyperLynx仿真工具可以做自己的熱分析,并將結(jié)果輸出給FloTherm,這樣就可以建立整個(gè)系統(tǒng)或一個(gè)機(jī)箱的熱性能模型。

Agilent公司重新發(fā)展了自己的ADS(先進(jìn)設(shè)計(jì)系統(tǒng))Momentum產(chǎn)品,它能針對(duì)有極多過(guò)孔的電源層和地層,提供仿真結(jié)果。它還能用于功率層有少量走線的設(shè)計(jì)。MOM(矩量法)是針對(duì)多層結(jié)構(gòu)的最快仿真方法,它能解算全3D場(chǎng),包括Maxwell方程中的全部項(xiàng)。這種全波方案考慮了法拉第定律的高頻效應(yīng),以及Maxwell為Ampère方程增加的代換電流項(xiàng)(參考文獻(xiàn)4)。用MOM仿真大型層面非常耗時(shí),因此Agilent公司發(fā)明了一些算法,可以減少獲得精確結(jié)果所需要的時(shí)間。

Agilent公司高速數(shù)字產(chǎn)品擁有者Colin Warwick說(shuō),工具采用了一種樹/協(xié)作樹(tree/co-tree)方法,可一直用到直流。
另外也可以對(duì)平面部件,采用集總參數(shù)分析方法。NEC公司的PIStreamn軟件將平面建模成為集總參數(shù)的矩陣,使之適用于使用Spice引擎和其它集總參數(shù)技術(shù)的分析。對(duì)于一個(gè)平面,軟件會(huì)使用PEEC(部分元等效電路)技術(shù),生成一個(gè)RLGC(電阻/電感/電導(dǎo)/電容)的等效物。軟件同時(shí)會(huì)為過(guò)孔和電源層與地層之間形成的空腔建立集總參數(shù)模型(圖7)。軟件還會(huì)采用一種串聯(lián)RLC(電阻/電感/電容)模型,為去耦電容建模,這個(gè)模型綜合考慮了電容器的寄生電阻與電容以及扇出走線和過(guò)孔的寄生電阻與電感。你可以通過(guò)建立仿真運(yùn)行,快速完成單一板對(duì)的分析。當(dāng)改變?cè)O(shè)置時(shí),軟件將做一個(gè)考慮到全部相關(guān)板面的多層分析。

除了仿真成品板的物理結(jié)構(gòu)以外,HyperLynx這類軟件工具還能做電路板層和去耦結(jié)構(gòu)的早期平面規(guī)劃。然后可以快速運(yùn)行一個(gè)分析,從而獲得一些有關(guān)傳輸阻抗和其它變量的概念。Giga Hertz技術(shù)公司開發(fā)了一種更快的Spice引擎,將其集成到NEC的PDN(電源分配網(wǎng)絡(luò))Expert中。通過(guò)這些平面規(guī)劃工具,可以手動(dòng)概略描述出PCB和層面,在設(shè)計(jì)早期優(yōu)化電容。這樣,就可以獲得有關(guān)板面形狀、尺寸、層疊,以及電容數(shù)的概念。
一些PC界的電源完整性軟件供應(yīng)商(如Mentor Graphics與Cadence)將自己的工具整合到了設(shè)計(jì)流中。盡管這并不能消除由一家供應(yīng)商提供全部工具的擔(dān)心,但電源完整性仿真使用了PCB的一個(gè)物理表述,成為一個(gè)幾何模型。Ansys與Sigrity公司都能接受來(lái)自Cadence的Allegro、Mentor Graphics的PADS,以及Zuken和Altium等公司工具的輸入。Agilent公司的電源完整性工具源于其在RF設(shè)計(jì)方面的專業(yè)知識(shí)。除了與ADS設(shè)計(jì)工具合用以外,該公司的EMPro軟件還可以輸入來(lái)自Cadence的Allegro的PCB數(shù)據(jù)?？蛻艚?jīng)常會(huì)將NEC的PIStream與Zuken的PCB工具一起使用,但該軟件也可以接受Cadence的Allegro和其它PCB軟件的輸入數(shù)據(jù)。
雖然有些工程師更喜歡自己的電路板流程中的整合工具,但從Ansys這種仿真專業(yè)公司獲得工具也有一些優(yōu)點(diǎn)。例如,該公司的SI(信號(hào)完整性)Wave工具類似于Mentro Graphics公司的HyperLynx,而PIAdvisor工具可以幫助你深入探究電源完整性問(wèn)題。該工具擁有針對(duì)過(guò)孔仿真的3D解算器。另外,還可以使用Ansys公司的HFSS(高頻仿真器系統(tǒng))工具,做物理問(wèn)題的全3D仿真,如連接器和其它3D幾何形狀。一些客戶會(huì)將Ansys電源完整性工具和信號(hào)完整性工具的輸出結(jié)果輸給自己使用的同一個(gè)HFSS工具,對(duì)機(jī)箱建模。這樣,他們就可以評(píng)估產(chǎn)品的EMI。CST(計(jì)算機(jī)仿真技術(shù))的EM Studio軟件可接受Gerber PCB文件的輸入,并可以計(jì)算3D IR(電流/電阻)降。
你所選擇的軟件必須擁有所需要的能力。很多公司希望你分開來(lái)解決信號(hào)完整性和電源完整性問(wèn)題,他們假定,一旦你充分減少了電源阻抗,就會(huì)關(guān)注信號(hào)完整性。這一方案的問(wèn)題是,電源噪聲與信號(hào)噪聲是交互作用的。為解決這個(gè)問(wèn)題,Sigrity公司允許你在信號(hào)完整性上仿真電源噪聲的效果(圖8)。CST公司的Microwave Studio也可以分析從緊密靠近的電源層傳播的噪聲。

高價(jià)問(wèn)題電源完整性軟件的價(jià)格經(jīng)常會(huì)讓沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師目瞪口呆。一個(gè)簡(jiǎn)單的DC仿真器就可能要15000美元,而一個(gè)包含電源完整性、信號(hào)完整性和熱解算器的完整系統(tǒng),可能要價(jià)75000美元。這個(gè)數(shù)字對(duì)軟件來(lái)說(shuō)似乎很高,不過(guò)應(yīng)該考慮到電源完整性失敗的成本。一塊復(fù)雜電路板的重制,在制作和工程方面可能要花5000美元或1萬(wàn)美元,而未及時(shí)上市的成本則達(dá)100萬(wàn)美元。另外一個(gè)考慮是系統(tǒng)的BOM(物料單)成本。如果電源完整性軟件可以在電容上節(jié)省50美分,則對(duì)一個(gè)大批量產(chǎn)品,就可能在幾個(gè)月內(nèi)掙回電源完整性軟件的費(fèi)用。
Ansys公司的Patel發(fā)現(xiàn),過(guò)去做電源完整性、信號(hào)完整性和EMI分析的三名工程師是互相隔離的?，F(xiàn)在,雖然仍可能是一名工程師做EMI分析,但這個(gè)人先要與一個(gè)做電源完整性和信號(hào)完整性分析的人一起工作,他們經(jīng)常會(huì)共享同一種軟件。Sigrity公司的Brim指出,IBIS(輸入/輸出緩沖規(guī)范)5.0有電源-地

和信號(hào)數(shù)據(jù),使仿真軟件可以將5.0模型電源腳的噪聲關(guān)聯(lián)到通過(guò)輸出泄漏的噪聲,類似于模擬器件中的PSRR規(guī)格。所有這些功能聯(lián)合成一種效果,即讓你擁有一個(gè)設(shè)計(jì)良好的可靠產(chǎn)品(圖9)。

如果你了解并知道如何使用這些昂貴的工具,則作為一名工程師的身份就會(huì)倍增。對(duì)于喜歡CAD(計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì))軟件的工程師來(lái)說(shuō),這些工具的學(xué)習(xí)并不難。Mentor Graphics公司在公司的很多銷售場(chǎng)所都提供HyperLynx的免費(fèi)學(xué)習(xí)課程。如果你有其它類型仿真器的經(jīng)驗(yàn),那么學(xué)習(xí)電源完整性工具就基本沒(méi)問(wèn)題。需要學(xué)習(xí)和理解的是頻域的概念和專門術(shù)語(yǔ),如RF設(shè)計(jì)者那樣。如果在現(xiàn)有時(shí)域經(jīng)驗(yàn)上增加了這些知識(shí),你就能接受最嚴(yán)格的設(shè)計(jì)挑戰(zhàn),成為一個(gè)贏家。

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