電源完整性仿真讓電路板更完美

　　為PCB(印刷電路板)上的芯片提供電能不再是一種簡單的工作。過去，通過細(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)中繁瑣的電源問題。

　　不過，現(xiàn)在的PCB空間(還有成本與你的日程)都很緊張，這些問題也帶來了對電源的影響。Mentor Graphics公司的仿真與模擬系列產(chǎn)品高級總監(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?！边@些問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)周期會縮短到以周以月計(jì)，而不是年?，F(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存儲器工作在1600Mbps，并很快就會運(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，即使毫伏級的噪聲也會造成與數(shù)據(jù)相關(guān)的問題。多只芯片會從統(tǒng)計(jì)上增加和造成電源下降或過壓問題。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。這些電源完整性問題都難于查出。系統(tǒng)中單只芯片的電源完整性問題可能影響系統(tǒng)的其它芯片，從而導(dǎo)致重啟。美國國家半導(dǎo)體公司的模擬應(yīng)用工程師Paul Grohe指出：“即使納秒級的電力損失也會使系統(tǒng)不可靠?！盇nsys公司信號完整性產(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)格說明了有多少電源噪聲會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題(見附文“請換個(gè)人跟我談”)。

　　Sigrity公司產(chǎn)品營銷經(jīng)理Brad Brim說，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：對內(nèi)核電壓為0.01nH，對I/O電源為1nH。他指出，電源層會將噪聲耦合到信號中。某些情況下，布放在兩個(gè)地層之間的一根信號線有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時(shí)，它的噪聲達(dá)45mV。

　　電源完整性工具可以對設(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?！币虼?，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、連接過孔，以及功率層的結(jié)構(gòu)。他指出，連接兩個(gè)層面的過孔會降低供電網(wǎng)絡(luò)的阻抗，因此它和電容一樣重要。與電源完整性不同，信號完整性一般會涉及一些走線，用示波器就可以在時(shí)域中測量信號完整性。使用Port 1至Port 1的Z11阻抗曲線，對電源完整性的仿真可以得到頻域的阻抗。要了解一個(gè)功率層的阻抗問題，需要一臺VNA(矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀)，它很難使用。仿真是測量的補(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：“無論你的仿真軟件有多快，也快不過一次測量?！辈贿^他指出，你得有一塊已制造好的PCB才能做快速測量。

　　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有電源完整性問題。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完整性問題的技術(shù)知識的布局工程師們，則經(jīng)常是問題的根源。

　　電源完整性軟件能幫助你解決直流和交流問題，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問題在防備EMI(電磁干擾)問題時(shí)很重要，它會使你的電路板無法通過FCC(聯(lián)邦通信委員會)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，大板面會產(chǎn)生諧振。如果你的板面會從層間空腔發(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，而不會反射回結(jié)構(gòu)內(nèi)。