PCB電源供電系統分析與設計

直流IR壓降

由于芯片的電源柵格(Power Grid)的特征尺寸很小(幾微米甚至更小)，芯片內的電阻損耗嚴重，因此芯片內的IR壓降已經(jīng)被廣泛地研究。而在下面幾種情況下，PCB上的IR壓降(在幾十到幾百毫伏的范圍內)對高速系統設計同樣會(huì )有較大的影響。

電源板層上有Swiss-Chess結構、Neck-Down結構和動(dòng)態(tài)布線(xiàn)造成的板平面被分割等情況(圖1);電源板層上電流通過(guò)的器件管腳、過(guò)孔、焊球、C4凸點(diǎn)的數量不夠，電源平板厚度不足，電流通路不均衡等;系統設計需要低電壓、大電流，又有較緊的電壓浮動(dòng)的范圍。

圖3：包括和不包括電源整流模塊的平板對輸入阻抗。

例如，一個(gè)高密度和高管腳數的器件由于有大量的過(guò)孔和反焊盤(pán)，在芯片封裝結構及PCB的電源分配層上往往會(huì )形成所謂的Swiss-Chess結構效應。Swiss-Chess結構會(huì )產(chǎn)生很多高阻性的微小金屬區域。根據

，由于電源供電系統中有這樣的高阻電流通路，送到PCB上元器件的電壓或電流有可能會(huì )低于設計要求。因此一個(gè)好的直流IR壓降仿真模擬是估計電源供電系統允許壓降范圍的關(guān)鍵。通過(guò)各種各樣可能性的分析為布局布線(xiàn)前后提供設計方案或規則。

布線(xiàn)工程師、系統工程師、信號完整性工程師和電源設計工程師還可以將IR壓降分析結合在約束管理器(constraint manager)中，作為對PCB上每一個(gè)電源和地網(wǎng)表進(jìn)行設計規則核查的最終檢驗工具(DRC)。這種通過(guò)自動(dòng)化軟件分析的設計流程可以避免靠目測，甚至經(jīng)驗所不能發(fā)現的復雜電源供電系統結構上的布局布線(xiàn)問(wèn)題。圖2展示了IR壓降分析可以準確地指出一高性能PCB上電源供電系統中關(guān)鍵電壓電流的分布。

交流電源地阻抗分析

很多人知道一對金屬板構成一個(gè)平板電容器，于是認為電源板層的特性就是提供平板電容以確保供電電壓的穩定。在頻率較低，信號波長(cháng)遠遠大于平板尺寸時(shí)，電源板層與地板的確構成了一個(gè)電容。

然而，當頻率升高時(shí)，電源板層的特性開(kāi)始變得復雜了。更確切地說(shuō)，一對平板構成了一個(gè)平板傳輸線(xiàn)系統。電源與地之間的噪聲，或與之對應的電磁場(chǎng)遵循傳輸線(xiàn)原理在板之間傳播。當噪聲信號傳播到平板的邊緣時(shí)，一部分高頻能量會(huì )輻射出去，但更大一部分能量會(huì )反射回去。來(lái)自平板不同邊界的多重反射構成了PCB中的諧振現象。

圖4：三種設置情況下 PowerSI計算得到的PCB輸入阻抗曲線(xiàn)。(a)不包含電源整流模塊;(b)包含電源整流模塊;(c)包含電源整流模塊和一些去耦電容。

在交流分析中，PCB的電源地阻抗諧振是個(gè)特有的現象。圖3展示了一對電源板層的輸入阻抗。為了比較，圖中還畫(huà)了一個(gè)純電容和一個(gè)純電感的阻抗特性。板的尺寸是30cm×20cm，板間間距是100um，填充介質(zhì)是FR4材料。板上的電源整流模塊用一個(gè)3nH的電感來(lái)代替。顯示純電容阻抗特性的是一個(gè)20nF的電容。從圖上可以看出，在板上沒(méi)有電源整流模塊時(shí)，在幾十兆的頻率范圍內，平板的阻抗特性(紅線(xiàn))和電容(藍線(xiàn))一樣。在100MHz以上，平板的阻抗特性呈感性(沿著(zhù)綠線(xiàn))。到了幾百兆的頻率范圍后，幾個(gè)諧振峰的出現顯示了平板的諧振特性，這時(shí)平板就不再是純感性的了。

至此，很明顯，一個(gè)低阻的電源供電系統(從直流到交流)是獲得低電壓波動(dòng)的關(guān)鍵：減少電感作用，增加電容作用，消除或降低那些諧振峰是設計目標。