研究了高速PCB設(shè)計中出現(xiàn)的電源完整性問題 ，并進行了仿真分析

摘 要：隨著半導(dǎo)體工藝的發(fā)展，在電子系統(tǒng)高功耗、高密度、高速、大電流和低電壓的發(fā)展趨勢下，高速 PCB設(shè)計領(lǐng)域 中的電源完整性 問題變得 日趨嚴重。本文研究 了高速 PCB設(shè)計中出現(xiàn)的電源完整性問題 ，并對其進行 了仿真分析。

引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，電子產(chǎn)品正朝著微型化、輕便化、多功能化、高集成化和高可靠性方向發(fā)展，而半導(dǎo)體器件的封裝也正朝著多引腳、細間距和表面貼裝的方向發(fā)展。相應(yīng)地，作為各種元器件的支撐和互連的 PCB 則正朝著小型、高速、高密度和輕量化的方向不斷攀升，其設(shè)計的復(fù)雜程度帶來的各種挑戰(zhàn)不斷增加，廠商面臨的產(chǎn)品面世時間的壓力也越來越大。在信號完整性分析研究的同時，如何提供穩(wěn)定可靠的電源也已成為重點研究方向之一。 尤其當(dāng)開關(guān)器件數(shù)目不斷增加，電源電壓不斷降低的時候，電源電壓和地電位的波動會給高速系統(tǒng)帶來致命的影響。隨著高速系統(tǒng)設(shè)計對仿真精度要求的提高，簡單的假設(shè)電源電壓和地電位絕對處于穩(wěn)定狀態(tài)，已越來越不能被接受。于是電源完整性的分析研究應(yīng)運而生。

高速 PCB 的信號完整性技術(shù)經(jīng)過幾十年的發(fā)展，其理論、分析方法和實踐都已比較成熟。但電源完整性是一項新的技術(shù)，目前它是高速PCB 設(shè)計最大的挑戰(zhàn)之一。

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電源完整性概念

電源完整性這一概念是以信號完整性為基礎(chǔ)的，兩者的出現(xiàn)都源自電路開關(guān)速度的提高。當(dāng)高速信號的翻轉(zhuǎn)時間和系統(tǒng)的時鐘周期可以相比時，具有分布參數(shù)的信號傳輸線、電源和地就與低速系統(tǒng)中的情況完全不同了。與信號完整性是指信號在傳輸線上的質(zhì)量相對應(yīng)，電源完整性是指高速 電路系統(tǒng)中電源和地的質(zhì)量。它在對高速電路進行仿真時，往往會因信號參考層的不完整造成信號回流路徑變化多端，從而引起信號質(zhì)量變差和產(chǎn)品的EM I性能變差，并直接影響信號完整性。

電源完整性問題是指在高速系統(tǒng)中，電源分配網(wǎng)絡(luò)在不同頻率時，存在不同輸入阻抗，導(dǎo)致 PCB電源 ／地平面上出現(xiàn)由△I噪聲電流、瞬態(tài)負載電流引起 的△I 噪聲 電壓 ，造成供電不連續(xù)，產(chǎn)生 電磁騷擾發(fā)射，嚴重影響高速系統(tǒng)的正常工作。

當(dāng)前，電源完整性 問題主要通過兩個途徑解決，即優(yōu)化 PCB 的疊層設(shè)計及布局布線和安裝去耦 電容。在高速系統(tǒng)工作速率低于400M H z，在恰當(dāng)位置安裝合適的去耦電容，有助于減小電源完整性問題；當(dāng)系統(tǒng)速率更高時，去耦電容作用減小。這時，只有通過優(yōu)化 PCB 層間距設(shè)計及布局布線，降低電源電壓，以及適當(dāng)匹配、降低反射等辦法解決電源完整|』 生問題。完全解決電源完整性問題，難度比解決信號完整性問題更大，對工程師的技能要求更高。

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電源完整性仿真分析

2.1采用等效輸入輸出電阻仿真

在實際的電路設(shè)計 中，可能因為電路太復(fù)雜，可以使用這種方法，比較簡便地估計芯片的 SSN 噪聲，速度快，節(jié)省資源，但是精度不夠。

由于驅(qū)動的低輸出阻抗和接受端高的輸入阻抗，可以用 2f／和 200f／的電阻近似等效驅(qū)動端和接受端的阻抗，板子電源電壓為 3．3V ，兩個干擾線加 同相信號，如 圖一所示 。

圖一 仿真原理圖

圖二 干擾線上的輸入輸出信號

(a)電源電壓波動 (b)被干擾線上電壓波動

圖三 電源和被干擾線上的信號

圖二是干擾線兩端的信號波形，圖三為電源和被干擾線兩端的電壓波形。從其中可以看 出，靜態(tài)線即被干擾線上不是保持零電平，它受板子電源 ／地電壓差值和附近其它干擾線的影響，電壓產(chǎn)生波動。電源上的波動小于 140m V ，被干擾線上 的電壓波動小于 3m V 。

2.2 采用 IBIS 模型仿真

在實際的設(shè)計當(dāng)中，一些廠家會給出IBIS 模型。應(yīng)用這些模型，可以很準確地仿真芯片管腳的電壓值，仿真出來的結(jié)果也更接近真實值，我們可以很方便地應(yīng)用這些IB IS 來協(xié)助我們的設(shè)計。

帶有IBIS模型的電路仿真原理圖如圖四所示。仿真采用Nexxim仿真器，用Designer導(dǎo)入ibs文件，這里的輸出和輸入ibs模型選用GTL-OUT和GTL-IN模型。這個IBIS模型規(guī)定邏“0”電平大約為0.3V，邏輯‘1’電平大約為1.5V，輸出必須接一偏置電壓，即通過一個25歐的電阻鏈接到1.5V的電壓源，輸入激勵如圖五所示。

圖四仿真原理圖

圖五 輸入理想信號和輸出管腳信號

圖五為兩芯片管腳電壓，圖六為靜態(tài)線上電壓波形和電源電壓的噪聲仿真結(jié)果。從圖六(右)可以看出，電源噪聲小于 100m V 。依照以上的方法，可以對板上各個芯片進行仿真，確定他們的SSN，從而進一步確認他們的工作狀態(tài)。

圖六 被干擾線上的信號電壓和電源線上的電壓

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結(jié)束語

高速電路的 PCB 板級設(shè)計是十分具有挑戰(zhàn)性的。為了保證電路的正確工作，需要精心設(shè)計電路的PDS，包括在電路板上添加數(shù)以百計的退耦電容，并且根據(jù)需要選擇合適的電容值及其位置。采用仿真的方法替代反復(fù)試驗的設(shè)計方法來優(yōu)化電路板的電源完整性設(shè)計，可以有效縮短設(shè)計周期并且節(jié)約設(shè)計成本。