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摘要：為了解決高速多層PCB的電源完整性問題，縮短其開發(fā)周期，提高其工作性能，以ARM11核心系統(tǒng)為例，提出利用CadencePI對(duì)PCB進(jìn)行電源完整性分析的方法。通過對(duì)電源系統(tǒng)目標(biāo)阻抗分析，確定去耦電容的數(shù)值，數(shù)量以及布局；對(duì)電源平面進(jìn)行直流壓降和電流密度分析，改善PCB設(shè)計(jì)，優(yōu)化系統(tǒng)的電源完整性。利用動(dòng)態(tài)電子負(fù)載搭建的測(cè)試平臺(tái)，對(duì)電源仿真分析后制作的PCB進(jìn)行測(cè)試，系統(tǒng)電源完整性較好，表明分析的結(jié)果是有效的。

隨著現(xiàn)代高速信號(hào)的速率越來越快，信號(hào)邊緣越來越陡，芯片的供電電壓的進(jìn)一步降低，時(shí)鐘頻率和數(shù)據(jù)讀取速率的增加要求消耗更多的電能，在進(jìn)行電子系統(tǒng)信號(hào)完整性分析研究的同時(shí)，如何提供穩(wěn)定可靠的電源給電子系統(tǒng)也已成為重點(diǎn)研究方向之一。電源完整性工程的分析方法和實(shí)踐目前還處在不斷探索的階段，利用仿真技術(shù)，在滿足加工制造與測(cè)試條件的總體方案和設(shè)計(jì)準(zhǔn)則下，在產(chǎn)品設(shè)計(jì)早期盡可能地解決電源完整性問題，能最大限度地降低產(chǎn)品成本，縮短研發(fā)周期。目前，一些EDA工具提供相應(yīng)的電源完整性(Power Integrity，PI)仿真分析功能，其中Allegro提供良好的交互工作接口，和它前端產(chǎn)品Cadence、Orcad、Capture緊密結(jié)合，為當(dāng)前高速、高密度、多層的復(fù)雜PCB設(shè)計(jì)提供了最完美解決方案。文中采用Allegro中的組件Cadence PI對(duì)ARM11核心系統(tǒng)進(jìn)行了電源完整性分析，并對(duì)PCB板進(jìn)行電源完整性的測(cè)試，驗(yàn)證仿真分析的結(jié)果。

1 電源完整性理論分析

1.1 電源分配系統(tǒng)的概念

在電子系統(tǒng)中，電源子系統(tǒng)的作用是為所有器件提供穩(wěn)定的電壓參考和足夠的驅(qū)動(dòng)電流，因此，電源電路和功能電路之間應(yīng)該是低阻抗的電源連接和接地連接。一個(gè)理想的電源系統(tǒng)，其阻抗為0，在平面任何一點(diǎn)的電位都是恒定的，但實(shí)際電源系統(tǒng)具有復(fù)雜的寄生電容和電感，而且供電芯片所提供的供電電壓也非理想的恒定值。

電源分配系統(tǒng)(Power Distribution System，PDS)由目標(biāo)阻抗，電壓調(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulator Module，VPM)，電源/地平面、去耦電容與高頻陶瓷電容組成。

電源完整性問題是指高速系統(tǒng)中的電源分配網(wǎng)絡(luò)在不同頻率下，有不同的輸入阻抗，導(dǎo)致電源/地平面上存在由噪聲電流△I和瞬態(tài)負(fù)載電流△I’引起的電壓抖動(dòng)△V。這個(gè)電壓波動(dòng)，一方面影響平面為數(shù)字信號(hào)提供穩(wěn)定的電壓參考，另一方面會(huì)使提供的電源電壓抖動(dòng)，影響器件工作性能。當(dāng)平面電壓波動(dòng)超出器件的容忍范圍時(shí)，會(huì)造成系統(tǒng)不能正常工作。電源分配系統(tǒng)設(shè)計(jì)的關(guān)鍵是目標(biāo)阻抗Z，其定義如式(1)：

式中，Vdd為芯片電源電壓，ripple為系統(tǒng)允許的電壓波動(dòng)，△Imax為負(fù)載芯片的最大瞬態(tài)電流變化量。電源系統(tǒng)的目的在于能夠在有限的反應(yīng)時(shí)間內(nèi)，以恒定的電壓值提供足夠的驅(qū)動(dòng)電流，因此需要有足夠低的電源阻抗。

1.2 解決電源完整性的方法

電壓調(diào)節(jié)模塊，電源/地平面、去耦電容與高頻陶瓷電容在不同頻率范圍內(nèi)對(duì)電源分配系統(tǒng)的阻抗起決定性作用。在1KHz到幾Hz低頻段，電壓調(diào)節(jié)調(diào)整輸出電流以調(diào)節(jié)負(fù)載電壓;幾MHZ到幾百M(fèi)HZ中頻段，電源噪聲主要是由去耦電容和PCB的電源/地平面對(duì)來濾波;在1 GHz以上高頻部分，電源噪聲主要是由PCB的電源/地平面對(duì)和芯片內(nèi)部的高頻電容來濾波。在做電源完整性仿真的時(shí)候，真正有意義的頻段主要是在幾MHZ到幾百M(fèi)HZ這個(gè)頻段。目前解決電源完整性問題的途徑主要有以下兩個(gè)方面：

一是優(yōu)化PCB的疊層設(shè)計(jì)和布局布線。在高速PCB設(shè)計(jì)中通常采用整塊銅層作為電源/地平面，盡可能減小輸入阻抗。電源和地平面可以看作是一個(gè)平面電容，特別是在低中頻階段，等效串聯(lián)電阻，等效串聯(lián)電感很小，具有良好的去耦濾波特性。綜合前期信號(hào)完整性所做阻抗匹配和目前的生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，合理的設(shè)置層間間距，選擇合適的板間電容值，可以很好的改善高速設(shè)計(jì)的電源完整性。電源和地平面的電容值可以估計(jì)為式(2)：

式中，εo=8.854 pF;εr=4.5(FR-4材料標(biāo)定值);A為電源層鋪銅面積(m2);d為鋪銅電源層之間的間隔(m)。根據(jù)仿真結(jié)果可知，較小平面電容C擁有更高的阻抗響應(yīng)曲線和更高的諧振頻率。

二是布置去耦電容。這是目前最有效的解決電源完整性問題的途徑。在高頻系統(tǒng)中，電源分配系統(tǒng)中的寄生電感不能忽略，它直接導(dǎo)致電源分配系統(tǒng)的阻抗增加。由于電容與電感在頻域具有相反特性，因此可以采用添加電容的方法來減小由于電感導(dǎo)致的阻抗增加。同時(shí)，電容具有儲(chǔ)能效應(yīng)，能以極快的速度響應(yīng)變化的電流需求，所以它能有效改善局部區(qū)域內(nèi)電源的瞬態(tài)反應(yīng)能力。如何選擇合適容值的電容、以及確定電容恰當(dāng)?shù)臄[放位置，使電源分配系統(tǒng)阻抗在PCB系統(tǒng)的整個(gè)工作頻率范圍內(nèi)都小于目標(biāo)阻抗成為解決電源完整性問題的關(guān)鍵。借助Cadence PI可以快速地確定去耦電容的容值、數(shù)量和擺放位置，提高開發(fā)效率。

2 電源完整性仿真

2.1 ARM11核心系統(tǒng)

文中以Cadence PI為仿真工具，對(duì)ARM11核心系統(tǒng)進(jìn)行電源完整性分析，本文中的ARM11核心系統(tǒng)采用S3C6410芯片。S3C6410是一款A(yù)RM11體系架構(gòu)，F(xiàn)BGA封裝，需要多電源工作的芯片。本文中該芯片有2個(gè)工作電壓：核心供電電源1.2 V，有26個(gè)電源引腳(10個(gè)核心電源引腳，16個(gè)邏輯電源引腳);輸入/輸出接口供電電源3.3 V，有30個(gè)I/O電源引腳。芯片內(nèi)部的工作頻率是667 MHz，外部存儲(chǔ)器輸入/輸出接口工作頻率是266 MHz。ARM11核心系統(tǒng)采用8層層疊結(jié)構(gòu)，在信號(hào)仿真阻抗匹配和生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的前提下，設(shè)定層間間距。本文利用Cadence PI對(duì)ARM11核心電壓電源網(wǎng)絡(luò)VDD_ARM進(jìn)行電源完整性仿真。

由S3C6410芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)可知，核心電流消耗是200 mA，加上100%的容限，系統(tǒng)允許的電壓波動(dòng)值取4%，核心電壓1.2V，根據(jù)式(1)，在仿真中設(shè)定目標(biāo)阻抗為0.12 Ω。

2.2 電源完整性仿真

2.2.1 單節(jié)點(diǎn)仿真，分析驗(yàn)證并優(yōu)化電容選擇

在單節(jié)點(diǎn)仿真中，忽略電源系統(tǒng)中各元件實(shí)際的物理連接，假設(shè)電源調(diào)壓模塊VRM、仿真激勵(lì)源、電流源和所有電容都并聯(lián)在一起，單結(jié)點(diǎn)仿真可以得到維持目標(biāo)阻抗所需要的電容。 

2.2.2 多節(jié)點(diǎn)仿真，放置去耦電容優(yōu)化布局

由于單節(jié)點(diǎn)仿真沒有考慮去耦電容的布局，為了獲得更精確的結(jié)果，考慮噪聲源和去耦電容的放置位置，在全頻率范圍內(nèi)進(jìn)行多節(jié)點(diǎn)仿真。在多節(jié)點(diǎn)仿真時(shí)，Cadence PI根據(jù)用戶定義將電源平面分隔成多個(gè)網(wǎng)格，并對(duì)每一個(gè)網(wǎng)格進(jìn)行建模，然后將放置的去耦電容、電壓調(diào)節(jié)模塊VRM和噪聲源與具體的網(wǎng)格點(diǎn)連接起來，產(chǎn)生每一個(gè)節(jié)點(diǎn)的頻率-阻抗仿真波形。

為獲得較高的精確度，網(wǎng)格尺寸大小必須大于系統(tǒng)最高頻率對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)的1/10。  

2.2.3 電源平面靜態(tài)IR-Drop直流壓降分析

芯片要正常工作需將供電電壓限定在允許的波動(dòng)范圍之內(nèi)。電源波動(dòng)是由DC損耗和AC噪聲兩部分造成的，直流壓降DC IR-Drop是產(chǎn)生DC損耗的主要原因。靜態(tài)IR-Drop直流壓降主要與金屬連線的寬度及所用層、該路徑所流過的電流大小、過孔的個(gè)數(shù)和位置有關(guān)。在Cadence PI中設(shè)置電源供給管腳和灌電流后，對(duì)布局布線完成后的ARM11核心供電電壓網(wǎng)絡(luò)VDD_ARM進(jìn)行直流壓降分析，當(dāng)ARM11核心系統(tǒng)工作頻率為667 MHz時(shí)，其1.2 V的直流電壓的允許波動(dòng)幅度為+/-0.05 V。Cadence PI仿真軟件計(jì)算出VDD_ARM網(wǎng)絡(luò)電壓梯度，其中Drop的最大值為0.013 V，小于允許波動(dòng)的幅度為+/-0.05 V，完全滿足S3C6410工作電壓要求，可以保證系統(tǒng)工作的穩(wěn)定性。

2.2.4 電源平面電流密度分析

當(dāng)電源平面上過孔過多或者分布不合理時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流流過狹窄區(qū)域，從而造成該區(qū)域電流密度過大。電源平面上最大的電流密度區(qū)域稱之為熱點(diǎn)，熱點(diǎn)有可能會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的熱穩(wěn)定性問題，因此要合理地設(shè)計(jì)過孔，使板的電流密度分布均勻，避免在關(guān)鍵芯片和高速走線附近出現(xiàn)熱點(diǎn)。 

3、 PCB電源完整性測(cè)試

在第1版PCB中，沒有利用Cadence PI分析，只是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)放置了一些去耦電容。在調(diào)試時(shí)，發(fā)現(xiàn)高速數(shù)字信號(hào)的波形不好，有時(shí)會(huì)有誤碼。在第2版中，通過Cadence PI進(jìn)行分析，對(duì)去耦電容的數(shù)值數(shù)量和位置，部分原件的布局布線進(jìn)行了調(diào)整。 

開關(guān)電源1.2 V為電源平面提供0_2～0.8A左右的輸出電流，動(dòng)態(tài)負(fù)載在恒壓的情況下，輸出阻抗周期變化，電流幅度可完成同周期的0.2～0.8 A的跳變。從數(shù)據(jù)可看出經(jīng)過Cadence PI分析后生產(chǎn)的第2版PCB的電源完整性得到較大幅度的改善。  

4 、結(jié)論

經(jīng)過Cadence PI的仿真分析后，制作出ARM11核心系統(tǒng)PCB板，通過電路實(shí)際測(cè)量，發(fā)現(xiàn)各電源分配系統(tǒng)均能很好工作，與仿真結(jié)果基本一致。隨著系統(tǒng)頻率高速增加，電源分配系統(tǒng)復(fù)雜化，工程生產(chǎn)成本和周期的嚴(yán)格控制，在設(shè)計(jì)電子系統(tǒng)時(shí)，于系統(tǒng)層面進(jìn)行電源完整性仿真分析、模擬真實(shí)系統(tǒng)的行為，對(duì)提高設(shè)計(jì)效率、減少設(shè)計(jì)誤差很有必要。