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        PCB電源分配網(wǎng)絡的去耦電容器組合優(yōu)化策略研究

        2025-03-12 00:00:00韓瀟哲劉婷婷王軒宇李思遠
        機電信息 2025年5期

        摘 要:電源分配網(wǎng)絡(Power Distribution Network,PDN)是印制電路板(Printed Circuit Board,PCB)上最大的導電系統(tǒng),具有電流大、攜帶高頻噪聲的特點。PDN設計不恰當產(chǎn)生的過量噪聲會導致電磁干擾、芯片時鐘頻率不穩(wěn)等諸多問題。鑒于此,以減少電源噪聲,降低設計成本為導向,著眼于PDN去耦電容器組合優(yōu)化方案,從實際案例入手,通過Siwave軟件PDN自動退耦優(yōu)化設計功能獲取滿足設計要求的優(yōu)化方案,對比分析得出經(jīng)驗化設計結論,為PCB設計人員提供參考。

        關鍵詞:電源分配網(wǎng)絡;印制電路板;電源完整性;目標阻抗;Siwave軟件

        中圖分類號:TN702" " 文獻標志碼:A" " 文章編號:1671-0797(2025)05-0017-03

        DOI:10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.05.004

        0" " 引言

        隨著集成電路工作頻率的提高和電源管理需求的復雜化,PDN設計面臨諸多挑戰(zhàn)。PDN的目標是向需要供電的有源器件焊盤處輸送干凈、穩(wěn)定的低噪聲電壓。去耦電容器作為一種關鍵被動元器件,可以濾除電源分配網(wǎng)絡中的高頻噪聲及瞬態(tài)干擾,對維護供電穩(wěn)定起到至關重要的作用[1]。然而,電容器封裝、容值、布局及購置費用都極大程度地影響PDN穩(wěn)定性及產(chǎn)品生產(chǎn)成本,設計師需要首先完成布局布線,再使用SPICE仿真選用合適的電容,設計過程較為復雜。研究和優(yōu)化PDN去耦電容器組合策略是提升電源質量、降低設計時間成本的重要課題。

        1" " 電源分配網(wǎng)絡的目標阻抗

        PDN的噪聲由芯片消耗電流及PDN阻抗引起,若芯片消耗電流為直流,則PDN會產(chǎn)生IR壓降;若芯片消耗變化的電流,則會引起PDN電壓的波動。PDN設計目標是在相當大的帶寬內保持電源分配網(wǎng)絡互連阻抗低于目標阻抗值。超過目標阻抗的PDN可能會導致過量的擾動,而遠小于目標阻抗的PDN則屬于過度設計,會增加不必要的成本[2]。

        目標阻抗是指在特定頻率下允許的最大阻抗值,旨在限制電源噪聲,確保芯片或電子元件能夠獲得穩(wěn)定的電壓供應。

        對于每個電壓軌道,目標阻抗值取決于芯片的電流頻率,流過芯片的電流頻譜可以覆蓋直流到高于時鐘頻率的3~5倍。由于所有微代碼都可能在芯片上運行,通常需要假設峰值電流可能出現(xiàn)在從直流到信號帶寬的任何頻譜處。

        式中:Ztarget表示目標阻抗;VDD表示特定軌道的供電電壓;ripple%表示可容許的紋波,一般為5%;Itransient表示最壞情況下的瞬態(tài)電流。

        瞬態(tài)電流大小取決于芯片具體功能,根據(jù)不同應用,比值可能從1%到90%不等。根據(jù)經(jīng)驗法則粗略估計,瞬態(tài)電流是最大電流的一半。

        2" " 電源分配網(wǎng)絡的阻抗特性

        在一個系統(tǒng)中穩(wěn)壓模塊(VRM)決定了PDN的低頻阻抗,片上電容決定了PDN的高頻阻抗。在低頻時,若穩(wěn)壓器開啟,則在直流到1 kHz的范圍內維持低阻抗特性,輸出電壓保持恒定,與電流負載無關。高頻時片上電容為PDN提供了低阻抗。片上電容有三個成因:電源和地軌道金屬層之間的電容、p管/n管的柵極電容、各種寄生電容。大多數(shù)芯片設計中都擁有數(shù)以百萬計的典型CMOS晶體管電路,在某些芯片中甚至可能會有幾十億個電路[3]。在任何時刻PMOS和NMOS有一個開啟而另一個關閉,總有一個門電路的柵極電容被連接在芯片的電源和地軌道之間。由柵極形成的單位面積電容可以簡單近似為:

        式中:C/A表示單位面積的電容(F/m2);Dk表示氧化物的介電常數(shù);h表示介質厚度(m)。

        目前,許多典型的嵌入式處理器芯片只有1 cm2,但其電容高達260 nF。如果目標阻抗為10 mΩ,那么片上電容將會在高于100 MHz的頻率下起到顯著的去耦作用。

        如圖1所示,實際板級PDN設計時關注的頻率范圍大概為100 kHz~100 MHz,電路印制板平面和多層陶瓷貼片電容器在此頻率范圍內發(fā)揮作用。

        3" " 仿真及優(yōu)化建議

        對去耦電容器組合策略進行仿真,分析去耦電容器數(shù)量、容值、封裝、布局位置等要素對PDN阻抗的影響。建立電源紋波仿真模型,直觀反映出PDN阻抗設計對電源品質的重要性。

        3.1" " 仿真流程

        研究對象為開關電源芯片與主控芯片之間的PDN,電壓為1 V,最大電流約為10 A,目標銅厚0.5 oz,電源平板層銅厚1 oz。

        仿真流程如圖2所示。首先在原始設計上進行頻域分析,提取S參數(shù),將其導入仿真電路中分析電源紋波,再運用Siwave軟件PDN自動退耦優(yōu)化設計功能獲取10個優(yōu)化方案。選擇合適的方案,提取S參數(shù),導入紋波仿真電路中與未優(yōu)化設計進行對比。

        3.2" " PDN阻抗仿真

        初始設計了95個去耦電容器,偽真頻段設置為100 kHz~100 MHz,圖3為初始設計頻域阻抗曲線,其中100 kHz~100 MHz處陰影區(qū)域為目標阻抗,峰值較高的曲線為裸板阻抗(未添加電容器),峰值較低的曲線為添加電容器后的仿真結果??梢钥吹?,添加電容器后,阻抗曲線有所改善。但初始設計中電容器容值設計不合理,導致不滿足阻抗要求。

        3.3" " PDN阻抗優(yōu)化仿真

        優(yōu)化仿真主要根據(jù)去耦電容大小、價格、封裝等參數(shù),自動優(yōu)化至符合要求。本實例中優(yōu)化得到10個方案,如表1所示。

        其中,質量因子表示每個方案滿足目標阻抗要求的范圍占比??梢钥吹?,所有方案質量因子、電容數(shù)量、價格基本相同,由于目標阻抗不僅與電容容值有關,還受到電源平板與地平板的布置、電容出線長度及寬度的影響,質量因子并不能依靠修改電容優(yōu)化達到100%,依據(jù)設計簡單化的原則,選用方案8的優(yōu)化策略,使用的電容類型最少。

        優(yōu)化后的阻抗曲線如圖4所示,基本滿足目標阻抗要求。優(yōu)化前后PDN阻抗變化較大,優(yōu)化后僅使用了37個電容就基本達到要求。優(yōu)化結果顯示,電容器數(shù)量并不是越多越好,其最優(yōu)值取決于板上電容、目標阻抗、最高頻率、每個電容器的等效串聯(lián)電感等。優(yōu)化方案中使用了25個1 μF電容、5個2.2 μF電容、4個0.047 μF電容、1個47 μF電容、1個0.1 μF電容、1個0.001 5 F電容針對裸板中的諧振點去耦。

        3.4" " 時域電源紋波仿真

        為更加直觀地反映去耦電容優(yōu)化對電源品質的影響,使用10 MHz交流電流源進行了時域電源紋波仿真。圖5為初始設計電源紋波,波動幅度達到200 mV以上,遠遠超過要求的5%(50 mV)波動范圍。圖6為優(yōu)化后的電源紋波仿真結果,電壓波動范圍在46 mV以內,符合要求。

        3.5" " 優(yōu)化建議

        電容應用分為兩類:并聯(lián)同類型電容和不同類型電容。并聯(lián)同類型電容可以有效降低阻抗,但諧振頻率不會改變。并聯(lián)不同類型電容可以針對性優(yōu)化特定頻段,但會引入新的反諧振點。

        建議在原理設計時,針對阻抗曲線的低、中、高頻處均配置一定數(shù)量的相應電容,可以提高設計成功率;其次平板面積越大,所需要的電容數(shù)量越多,可以根據(jù)公式估算所需電容器的最少個數(shù)。

        式中:n表示所需電容器的最少個數(shù);Fmax表示板級阻抗的最高頻率(GHz);ESL表示電容器的串聯(lián)等效電感(nH);Ztarget為目標阻抗(Ω)。

        4" " 結束語

        本文研究了PDN阻抗優(yōu)化理論,對優(yōu)化原理進行分析,結合仿真工具建模,從時域和頻域角度分析了PDN阻抗優(yōu)化的必要性,研究了去耦電容數(shù)量、容值對PDN阻抗的影響。觀察得出,去耦電容數(shù)量對PDN阻抗無直接影響,不同類型的電容通過不同的組合方式對PDN阻抗產(chǎn)生不同的影響。在實際設計中,應當依照提升質量、節(jié)約成本的理念,通過最少的電容器不同容值組合,減少電源紋波,提高器件工作穩(wěn)定性。

        [參考文獻]

        [1] BOGATIN E.信號完整性與電源完整性分析[M].2版.李玉山,劉洋,譯.北京:電子工業(yè)出版社,2015.

        [2] 徐小明,紀萍,朱國靈,等.基于電源分配網(wǎng)絡仿真確定封裝電容的方法[J].電子與封裝,2023,23(7):21-24.

        [3] 劉善武,羅雪溶,張波,等.電源分配網(wǎng)絡的頻域去耦設計[J].電子設計工程,2023,31(10):177-181.

        收稿日期:2024-10-22

        作者簡介:韓瀟哲(1997—),男,山西介休人,助理工程師,研究方向:信號完整性。

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