PCB电源供电系统的分析与设计
时间:11-21
来源:Sigrity公司
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当今,在没有透彻掌握芯片、封装结构及PCB的电源供电系统特性时,高速电子系统的设计是很难成功的。事实上,为了满足更低的供电电压、更快的信号翻转速度、更高的集成度和许多越来越具有挑战性的要求,很多走在电子设计前沿的公司在产品设计过程中为了确保电源和信号的完整性,对电源供电系统的分析投入了大量的资金,人力和物力。
电源供电系统(PDS)的分析与设计在高速电路设计领域,特别是在计算机、半导体、通信、网络和消费电子产业中正变得越来越重要。随着超大规模集成电路技术不可避免的进一步等比缩小,集成电路的供电电压将会持续降低。随着越来越多的生产厂家从130nm技术转向90nm技术,可以预见供电电压会降到1.2V,甚至更低,而同时电流也会显著地增加。从直流IR压降到交流动态电压波动控制来看,由于允许的噪声范围越来越小,这种发展趋势给电源供电系统的设计带来了巨大的挑战。
PCB电源供电系统设计概览
通常在交流分析中,电源地之间的输入阻抗是用来衡量电源供电系统特性的一个重要的观测量。对这个观测量的确定在直流分析中则演变成为IR压降的计算。无论在直流或交流的分析中,影响电源供电系统特性的因素有:PCB的分层、电源板层平面的形状、元器件的布局、过孔和管脚的分布等等。
图1:PCB上一些常见的会增加电流路径阻性的物理结构设计。 |
高速电路系统中的电源供电系统通常可以分成芯片、集成电路封装结构和PCB三个物理子系统。芯片上的电源栅格由交替放置的几层金属层构成,每层金属由X或Y方向的金属细条构成电源或地栅格,过孔则将不同层的金属细条连接起来。
对于一些高性能的芯片,无论内核或是IO的电源供电都集成了很多去耦单元。集成电路封装结构,如同一个缩小了的PCB,有几层形状复杂的电源或地平板。在封装结构的上表面,通常留有去耦电容的安装位置。PCB则通常含有连续的面积较大的电源和地平板,以及一些大大小小的分立去耦电容元件,及电源整流模块(VRM)。邦定线、C4凸点、焊球则把芯片、封装和PCB连接在了一起。
整个电源供电系统要保证给各个集成电路器件提供在正常范围内稳定的电压。然而,开关电流和那些电源供电系统中寄生的高频效应总是会引入电压噪声。其电压变化可以由下式计算得到:
图2:Sigrity PowerDC计算得到电源板层上的电流分布。 |
直流IR压降
由于芯片的电源栅格(Power Grid)的特征尺寸很小(几微米甚至更小),芯片内的电阻损耗严重,因此芯片内的IR压降已经被广泛地研究。而在下面几种情况下,PCB上的IR压降(在几十到几百毫伏的范围内)对高速系统设计同样会有较大的影响。
电源板层上有Swiss-Chess结构、Neck-Down结构和动态布线造成的板平面被分割等情况(图1);电源板层上电流通过的器件管脚、过孔、焊球、C4凸点的数量不够,电源平板厚度不足,电流通路不均衡等;系统设计需要低电压、大电流,又有较紧的电压浮动的范围。
图3:包括和不包括电源整流模块的平板对输入阻抗。 |
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