資料介紹
在高度集成的電子產(chǎn)品中,電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)占到了設(shè)計(jì)工作量的50%左右;對(duì)于復(fù)雜的FPGA類型的產(chǎn)品應(yīng)用,在電路中常常會(huì)達(dá)到15~30路不同的電源。
電源完整性的目的就是給系統(tǒng)提供持續(xù)、穩(wěn)定、干凈的電源,保證系統(tǒng)穩(wěn)定的工作。在數(shù)字系統(tǒng)中,使信號(hào)完整性滿足系統(tǒng)設(shè)計(jì)的要求也需要有一個(gè)非常穩(wěn)定的電源系統(tǒng),但是又不能使電源系統(tǒng)超標(biāo)。所以在設(shè)計(jì)電源完整性時(shí),不僅僅關(guān)注的是去耦電容,還需要關(guān)注電源完整性、信號(hào)完整性和電磁兼容性這個(gè)“生態(tài)系統(tǒng)”,尤其是要考慮高度集成化的數(shù)字電路對(duì)電源完整性的影響… …
但是傳統(tǒng)分析信號(hào)完整性和電源完整性都是分開分析的,為了更好的分析SI和PI的相互影響,我們需要把SI和PI放在同一個(gè)EM仿真中來分析。
PDN
真實(shí)的PDN是什么樣子的呢?主要分為三個(gè)部分:供電端(VRM)、用電端(Sink)和傳輸通道(PCB、Cable、瓷片電容等等)。
電路板設(shè)計(jì)中,都有電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)。電源分配網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的作用就是給系統(tǒng)內(nèi)所有器件或芯片提供足夠的電源,并滿足系統(tǒng)對(duì)電源穩(wěn)定性的要求。
我們看到電源、GND網(wǎng)絡(luò),其實(shí)分布著阻抗。
電源噪聲余量計(jì)算:
1、芯片的datasheet會(huì)給一個(gè)規(guī)范值,通常是5%;要考慮到穩(wěn)壓芯片直流輸出誤差,一般是+/_2.5%,因此電源噪聲峰值幅度不超過+/_2.5%。
2、如芯片的工作電壓范圍是3.13~3.47,穩(wěn)壓芯片標(biāo)出輸出電壓是3.3V,安裝在電路板后的輸出電壓是3.36V。容許的電壓的變化范圍是3.47-3.36=110mv。穩(wěn)壓芯片輸出精度是+/_1%,及3.36* +/_1%=+/_33.6mv。電源噪聲余量為110-33.6=76.4mv。
計(jì)算電源噪聲要注意五點(diǎn)
(1)穩(wěn)壓芯片的輸出的精確值是多少。
(2)工作環(huán)境的是否是穩(wěn)壓芯片所推薦的環(huán)境。
(3)負(fù)載情況是怎么樣,這對(duì)穩(wěn)壓芯片輸出也有影響。
(4)電源噪聲最終會(huì)影響到信號(hào)質(zhì)量。而信號(hào)上的噪聲來源不僅僅是電源噪聲,反射竄擾等信號(hào)完整性問題也會(huì)在信號(hào)上疊加,因此不能把所有噪聲余量留給電源系統(tǒng)。
(5)不同的電壓等級(jí)對(duì)電源噪聲要求也不樣,電壓越小噪聲余量越小。模擬電路對(duì)電源要求更高。
電源噪聲來源
(1)穩(wěn)壓芯片輸出的電壓不是恒定的,會(huì)有一定的紋波。
(2)穩(wěn)壓電源無法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)于電流需求的快速變化。穩(wěn)壓電源響應(yīng)的頻率一般在200Khz以內(nèi),能做正確的響應(yīng),超過了這個(gè)頻率則在電源的輸出短引腳處出現(xiàn)電壓跌落。
(3)負(fù)載瞬態(tài)電流在電源路徑阻抗和地路徑阻抗產(chǎn)生的壓降。
(4)外部的干擾。
目標(biāo)阻抗
目標(biāo)阻抗是電源系統(tǒng)的瞬態(tài)阻抗,對(duì)快速變化的電流的表現(xiàn)出來的一種特性阻抗。目標(biāo)阻抗和一定寬度的頻率有關(guān),在感興趣的頻率范圍內(nèi),電源阻抗都不能超過這個(gè)值。
目標(biāo)阻抗公式
去耦的電源電壓,ripple為允許的電壓波動(dòng)范圍,典型值為2.5%,△Imax為負(fù)載芯片最大瞬態(tài)電流變化量。
在進(jìn)行電源完整性設(shè)計(jì)、分析和仿真的時(shí)候都會(huì)涉及到一個(gè)非常重要的概念,就是目標(biāo)阻抗?但是目標(biāo)阻抗真的是很多工程師認(rèn)為的那么簡(jiǎn)單嗎?
在真實(shí)的電源系統(tǒng)中,電容已經(jīng)不再是一個(gè)簡(jiǎn)單的電容,而是包含了ESR、ESL的寄生參數(shù)。它們有串聯(lián)等效的作用,也有并聯(lián)等效的作用,呈現(xiàn)出來的結(jié)果都是不相同的。
PDN阻抗隨著頻率而變化,不同的VRM也會(huì)導(dǎo)致阻抗曲線變化,好的VRM會(huì)使整條PDN阻抗曲線非常平滑。
信號(hào)的頻譜含量范圍很廣,并且隨著傳輸數(shù)據(jù)而不斷變化,在這種情況下,我們確實(shí)需要關(guān)注阻抗較高的頻率上的強(qiáng)制響應(yīng),確保這個(gè)響應(yīng)不要產(chǎn)生影響芯片與芯片之間通信的PDN噪聲。
阻抗曲線都在目標(biāo)阻抗以下都沒問題了嗎?如果存在多個(gè)不超過目標(biāo)阻抗的巨大的反諧振點(diǎn)是否可以呢?
在電路設(shè)計(jì)時(shí),通常會(huì)在電路板上放置非常多的電容,那這些電容如何選型?如何搭配?如何放置?這是每一位工程師都會(huì)遇到的情況。
選擇電容
用一個(gè)電容組合的例子。這個(gè)組合使用的電容為:2個(gè)680uf鉭電容,7個(gè)2.2uf陶瓷電容(0805封裝),13個(gè)0.22uf陶瓷電容(0603封裝),26個(gè)0.022uf陶瓷電容(0402)。圖中上部平坦的曲線是680uf電容的阻抗曲線,其它三個(gè)容值的曲線為為圖中三個(gè)V字曲線,從左到右2.2uf →0.22uf → 0.022uf。總的阻抗曲線為底部粗包路線。
這個(gè)組合實(shí)現(xiàn)了在500K到150M范圍內(nèi)保持阻抗在33毫歐以下,到500M處,阻抗上升到110毫歐,從圖中看反諧振點(diǎn)控制的很低。
實(shí)際案例
這是一個(gè)實(shí)際的案例,PCB是Xilinx的Demo板,包含了4pcs DDR4顆粒,速率達(dá)到3.2Gbps,同時(shí)還包含了很多SerDes總線,如USB,SFP+和PCIE等等。有15路主要的電源,與各類數(shù)字信號(hào)交織在一塊16層的PCB板上。
對(duì)于這么復(fù)雜的PCB設(shè)計(jì),如何開始EM仿真呢?最好的方式就是在直流狀態(tài)下進(jìn)行IR Drop的仿真,這個(gè)很容易理解。使用ADS PIPro就可以完成這個(gè)工作。
溫度也會(huì)造成電源系統(tǒng)的不確定性,使用PIPro可以進(jìn)行電源系統(tǒng)的電熱聯(lián)合仿真。下圖表示的就是電源系統(tǒng)是否考慮溫度的影響,這樣導(dǎo)致的結(jié)果是不相同的。
使用PIPro可以提取PDN的S參數(shù),同時(shí)仿真PDN的阻抗曲線。
其實(shí)信號(hào)與電源的關(guān)系就像一艘快艇行駛在海面上,相互之間都是有影響的。為了捕獲SI和PI的所有的影響,可以把SI和PI放在同一個(gè)EM仿真中同時(shí)來仿真以獲取一個(gè)完整的S參數(shù)。
SSN仿真是一直以來SI/PI協(xié)同仿真的重點(diǎn),下面是一個(gè)SSN仿真的案例:
PDN的測(cè)量主要有時(shí)域測(cè)量和頻域測(cè)量之分,下面是關(guān)于SSN噪聲測(cè)量的案例:
如何設(shè)計(jì)一個(gè)好的電源系統(tǒng),這是有一些可以遵循的方法的:
來源:信號(hào)完整性、硬件十萬個(gè)為什么
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