南通市住房和建设局网站,电子商务网站建设的教案,百货商城网站建设,西部数码网站管理助手 提权板级电源分配网络的分析与仿真在硬件电路设计中#xff0c;电源系统的设计是关键步骤之一#xff0c;良好的电源系统为电路板 上各种信号的传输提供了保障。本章将研究电源完整性的相关问题#xff0c;并提出一系列改 进电源质量的措施。 3.1 电源完整性 电源完整性#xf…板级电源分配网络的分析与仿真在硬件电路设计中电源系统的设计是关键步骤之一良好的电源系统为电路板 上各种信号的传输提供了保障。本章将研究电源完整性的相关问题并提出一系列改 进电源质量的措施。 3.1 电源完整性 电源完整性Power Integrity简称为 PI是指电源分配网络Power Distribution NetworkPDN能够满足负载芯片对电源的需求。其设计目标主要有两个一是为 负载提供干净的供电电压二是为信号提供低噪声的参考路径[21]。 随着芯片开关速度和晶体管数量的不断提高芯片的功耗不断增加开关在切换 时所需的瞬态电流需求越来越大这些变化给电源分配网络的设计提出了巨大的挑战。 电源分配网络主要由如下几部分组成电源芯片、安装在 PCB 板上的电容以及芯片 内部的电容和电源网络。本文主要针对安装在 PCB 板上的电容、电源和地平面进行 分析。 3.1.1 电源噪声的来源 电源噪声的来源主要包括三个方面 1电源芯片输出存在纹波。这部分噪声由芯片的制作工艺以及工作原理等决 定当选择好电源芯片时相应的输出噪声就会存在。常用的电源芯片有开关电源和 线性电源两种。开关电源的优点是发热少转换效率高一般可以达到 85%输出电 流大缺点是输出的波动较大且可能会有尖峰脉冲需要在输出端添加磁珠来改善。 而线性电源的发热较为明显转换效率较低但是线性电源的输出稳定纹波较小。 要根据供电要求灵活选用。 2稳压电源无法及时响应快速变化的负载电流需求。随着芯片工作频率的不 断提高芯片需要的电流变化的频率也越来越高当该频率超过稳压电源的调整频 率时稳压电源就无法及时为负载提供足够的电流进而导致输出电压下降产生 电源噪声。 3电源路径和地路径上存在压降[22]。由于电源路径和地路径存在阻抗当电 流流过这些路径时就会产生压降因此负载电压就会随着电流的变化而产生波动。 同时过孔、封装引脚和芯片内部的电源网络也存在阻抗都会产生压降。 3.1.2 建立仿真模型 仿真软件选择 Cadence 公司的 Allegro PCB PI Option XL 组件该组件可进行电 源噪声分析和高速 PCB 电源分配系统的设计其仿真功能主要分为单节点仿真和多 节点仿真两种[23]。单节点仿真仅考虑电容的去耦能力和目标阻抗之间的关系通过该 仿真可以对比不同去耦电容网络的去耦能力的差别方便用户选择合适的去耦电容网 络。多节点仿真则会考虑噪声源信号、电容的滤波半径和电容的布局等参数该仿真 结果更接近真实的情况通过多节点仿真可以完成去耦电容的布局工作。仿真软件的 基本使用流程如图 3.1 所示。 由于本章的主要内容在于电源完整性相关问题的分析与仿真故电路模型的设计 重点放在电源分配网络的建立上不考虑其余的外围电路。按照上述设计流程建立如 图 3.2 所示的预布局仿真模型。 如图 3.2 所示该仿真模型的尺寸为 55*47.5mm具体电路包括DSP 控制芯片 TMS320F28335、1.9V 电源芯片 TPS74401、3.3V 电源芯片 TPS75633 以及由收发器 MAX490 和光电隔离芯片 HCPL0600 构成的上位通信接口电路14 芯排针则作为接 插件引入该模型所需要的 5V 电源。电路的工作频率取 DSP 的工作频率 150MHz。 需要说明的是在进行电源完整性仿真时DSP 芯片和上位通信接口电路仅起噪声源 的作用不考虑其实际的电路功能。 在完成预布局的基础上对仿真模型进行电源层划分该模型所用到的电源有 1.9V、3.3V、5V 和 GND。划分好的电源平面如图 3.3 所示。 如图 3.3 所示该模型的电源层一共划分为 3 层第1层为完整的地平面 第 2层则进行分割划分为 1.9V 电源平面和 5V 电源平面 第3层为完整的 3.3V 电源平面。各个电源层之间的间距设置为 8mil。 3.2 去耦电容 为了使电源芯片的输出能够快速响应负载芯片的需求主要采用的方法是在电源 芯片的输入输出引脚和负载芯片的供电引脚周围放置去耦电容[24]。本节将重点分析 电容的去耦原理和频域阻抗特性并通过仿真提出改善电容去耦能力的措施。 3.2.1 电容去耦原理 电容去耦的原理可以从储能和阻抗两个角度进行理解。 1储能去耦原理 图 3.4 给出了电容的储能去耦原理C 为电源芯片外放置的去耦电容组合。当负 载电流保持不变时电源电压和电容两端的电压也不变且与负载芯片两端的电压一 致此时流过电容的电流为零负载所需的电流由电源提供。当负载芯片的电流快速 变化时需要电源能够立即提供给负载芯片所需的电流但是电源往往不能及时响应 负载电流的变化这就会导致负载芯片的电压产生变化。此时电容两端的电压也会随 着负载电压的变化而变化电容就会进行充放电并产生电流 为负载芯片提供电流 从而保证负载芯片的电压不会产生明显的变化[25]。 从储能的角度来理解去耦电容的作用比较直观但是对于电路设计却没有多大的 帮助因此需要从阻抗的角度理解电容的去耦原理。 2阻抗去耦原理 将图 3.4 中的负载芯片去掉可以得到如图 3.5 所示的模型。从该模型的输出端 看进去将电源与电容组合 C 当做一个整体的电源系统即可以简化为图 3.6 所示的 电路。 然后在仿真模型内添加电压调节模块VRM和噪声源由于 1.9V 电源仅为 DSP 的内核电源引脚供电因此在 DSP 的位置添加噪声源并设置噪声电流的最大幅度 为 0.5A。为了对比不同布局情况下的去耦效果将分两种方式对去耦电容进行布局。 首先采用第一种方式进行布局即将小电容均匀放置在最靠近DSP芯片的位置 而大电容则适当远离 DSP 芯片放置这种电容布局方式如图 3.17 所示。同时可以看 到组件会自动在模型中设置多个仿真节点这里选择位于 DSP 下方的四个仿真节 点进行仿真。多节点仿真结果如图 3.18 所示。 3.3 提升电源质量的措施 通过分析电容的实际特性、并联特性和安装后的特性对比不同的电容网络选择 方法的去耦效果可以得出一系列能够改善电源分配网络去耦效果的方法。在电路板 的设计过程中具体可以采取以下方法来改善电路的电源完整性 1要合理选择电源芯片兼顾转换效率与输出纹波。同时针对不同的场景灵 活选用线性电源和开关电源比如给对电源比较敏感的模拟电路供电时可以选择输 出噪声低的线性电源。 2去耦电容网络的选择尽量采用 Multi-PoleMP方法选择多种电容值的 电容搭配使用避免使用容值差较大的去耦电容网络为了兼顾成本与去耦效果可 以使用 One per decade 方法来选择去耦电容。 3摆放电容时要考虑其去耦半径的大小小电容要靠近芯片而大电容可以 摆放的远一些。同时去耦电容要均布在芯片四周不同电压的去耦电容要交替摆放。 4安装电容时减小电容走线的长度同时要加宽走线的宽度。这样可以保 证其电流回路面积较小减少了安装电感对电容去耦效果的影响。 5电源平面和地平面的层叠设置要合理尽量使电源平面与其对应的地平面 相邻。分割电源平面时尽量保证形状规则使平面的阻抗均匀。 信迈提供高速信号仿真方案。
