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圖2：Sigrity PowerDC計算得到電源板層上的電流分布。 |
注意到電源和地通常用來作為信號回路和參考平面，因此電源供電系統(tǒng)與信號分布系統(tǒng)之間有著很緊密的關(guān)系。然而，由于篇幅的限制，同步開關(guān)噪聲(IO SSO)引入的電源供電系統(tǒng)的噪聲現(xiàn)象和電流回路控制問題將不在這里討論。以下幾節(jié)將忽略信號系統(tǒng)，而單純注重電源供電系統(tǒng)的分析。
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(nèi)的電阻損耗嚴(yán)重，因此芯片內(nèi)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(nèi))對高速系統(tǒng)設(shè)計同樣會有較大的影響。
電源板層上有Swiss-Chess結(jié)構(gòu)、Neck-Down結(jié)構(gòu)和動態(tài)布線造成的板平面被分割等情況(圖1)；電源板層上電流通過的器件管腳、過孔、焊球、C4凸點的數(shù)量不夠，電源平板厚度不足，電流通路不均衡等；系統(tǒng)設(shè)計需要低電壓、大電流，又有較緊的電壓浮動的范圍。
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圖3：包括和不包括電源整流模塊的平板對輸入阻抗。 |
例如，一個高密度和高管腳數(shù)的器件由于有大量的過孔和反焊盤，在芯片封裝結(jié)構(gòu)及PCB的電源分配層上往往會形成所謂的Swiss-Chess結(jié)構(gòu)效應(yīng)。Swiss-Chess結(jié) 構(gòu)會產(chǎn)生很多高阻性的微小金屬區(qū)域。根據(jù)
，由于電源供電系統(tǒng)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低于設(shè)計要求。因此一個好的直流IR壓降仿真模擬是估計電源供電系統(tǒng)允許壓降范圍的關(guān)鍵。通過各種各樣可能性的分析為布局布線前后提供設(shè)計方案或規(guī)則。
布線工程師、系統(tǒng)工程師、信號完整性工程師和電源設(shè)計工程師還可以將IR壓降分析結(jié)合在約束管理器(constraint manager)中，作為對PCB上每一個電源和地網(wǎng)表進(jìn)行設(shè)計規(guī)則核查的最終檢驗工具(DRC)。這種通過自動化軟件分析的設(shè)計流程可以避免靠目測，甚至經(jīng)驗所不能發(fā)現(xiàn)的復(fù)雜電源供電系統(tǒng)結(jié)構(gòu)上的布局布線問題。圖2展示了IR壓降分析可以準(zhǔn)確地指出一高性能PCB上電源供電系統(tǒng)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(gòu)成一個平板電容器，于是認(rèn)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(wěn)定。在頻率較低，信號波長遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于平板尺寸時，電源板層與地板的確構(gòu)成了一個電容。
然而，當(dāng)頻率升高時，電源板層的特性開始變得復(fù)雜了。更確切地說，一對平板構(gòu)成了一個平板傳輸線系統(tǒng)。電源與地之間的噪聲，或與之對應(yīng)的電磁場遵循傳輸線原理在板之間傳播。當(dāng)噪聲信號傳播到平板的邊緣時，一部分高頻能量會輻射出去，但更大一部分能量會反射回去。來自平板不同邊界的多重反射構(gòu)成了PCB中的諧振現(xiàn)象。
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圖4：三種設(shè)置情況下 PowerSI計算得到的PCB輸入阻抗曲線。(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特有的現(xiàn)象。圖3展示了一對電源板層的輸入阻抗。為了比較，圖中還畫了一個純電容和一個純電感的阻抗特性。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3nH的電感來代替。顯示純電容阻抗特性的是一個20nF的電容。從圖上可以看出，在板上沒有電源整流模塊時，在幾十兆的頻率范圍內(nèi)，平板的阻抗特性(紅線)和電容(藍(lán)線)一樣。在100MHz以上，平板的阻抗特性呈感性(沿著綠線)。到了幾百兆的頻率范圍后，幾個諧振峰的出現(xiàn)顯示了平板的諧振特性，這時平板就不再是純感性的了。
至此，很明顯，一個低阻的電源供電系統(tǒng)(從直流到交流)是獲得低電壓波動的關(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(shè)計目標(biāo)。
為了降低電源供電系統(tǒng)的阻抗，應(yīng)遵循以下一些設(shè)計準(zhǔn)則：
1. 降低電源和地板層之間的間距；
2. 增大平板的尺寸；
3. 提高填充介質(zhì)的介電常數(shù)；
4. 采用多對電源和地板層。
然而，由于制造或一些其他的設(shè)計考慮，設(shè)計工程師還需要用一些較為靈活的有效的方法來改變電源供電系統(tǒng)的阻抗。為了減小阻抗并且消除那些諧振峰，在PCB上放置分立的去耦電容便成為常用的方法。
圖4顯示了在三種不同設(shè)置下，用Sigrity PowerSI計算得到的電源供電系統(tǒng)的輸入阻抗：
a. 沒有電源整流模塊，沒有去耦電容放置在板上。
b. 電源整流模塊用短路來模擬，沒有去耦電容放置在板上。
c. 電源整流模塊用短路來模擬，去耦電容放置在板上。
從圖中可見，例子a藍(lán)線，在集成電路芯片的位置處觀測到的電源供電系統(tǒng)的輸入阻抗在低頻時呈現(xiàn)出容性。隨著頻率的增加，第一個自然諧振峰出現(xiàn)在800MHz的頻率處。此頻率的波長正對應(yīng)了電源地平板的尺寸。
例子b的綠線，輸入阻抗在低頻時呈現(xiàn)出感性。這正好對應(yīng)了從集成電路芯片的位置到電源整流模塊處的環(huán)路電感。這個環(huán)路電感和平板電容一起引入了在200MHz的諧振峰。
例子c的紅線，在板上放置了一些去耦電容后，那個200MHz的諧振峰被移到了很低的頻率處(<20MHz)，并且諧振峰的峰值也降低了很多。第一個較強的諧振峰則出現(xiàn)在大約1GHz處。由此可見，通過在PCB上放置分立的去耦電容，電源供電系統(tǒng)在主要的工作頻率范圍內(nèi)可以實現(xiàn)較低的并且是平滑的交流阻抗響應(yīng)。因此，電源供電系統(tǒng)的噪聲也會很低。
