PCB电源供电系统的分析与设计qnc.docx

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1、 PCBB电源供供电系统统的分析析与设计计陈宇哲 副副总裁 Siigriity公公司当今，在在没有透透彻掌握握芯片、封封装结构构及PCCB的电电源供电电系统特特性时，高高速电子子系统的的设计是是很难成成功的。事事实上，为为了满足足更低的的供电电电压、更更快的信信号翻转转速度、更更高的集集成度和和许多越越来越具具有挑战战性的要要求，很很多走在在电子设设计前沿沿的公司司在产品品设计过过程中为为了确保保电源和和信号的的完整性性，对电电源供电电系统的的分析投投入了大大量的资资金，人人力和物物力。电源供电电系统(PDSS)的分分析与设设计在高高速电路路设计领领域，特特别是在在计算机机、半导导体、通通信、

2、网网络和消消费电子子产业中中正变得得越来越越重要。随随着超大大规模集集成电路路技术不不可避免免的进一一步等比比缩小，集集成电路路的供电电电压将将会持续续降低。随随着越来来越多的的生产厂厂家从1130nnm技术术转向990nmm技术，可可以预见见供电电电压会降降到1.2V，甚甚至更低低，而同同时电流流也会显显著地增增加。从从直流IIR压降降到交流流动态电电压波动动控制来来看，由由于允许许的噪声声范围越越来越小小，这种种发展趋趋势给电电源供电电系统的的设计带带来了巨巨大的挑挑战。PCB电电源供电电系统设设计概览览图1：PPCB上上一些常常见的会会增加电电流路径径阻性的的物理结结构设计计。通常在交交

3、流分析析中，电电源地之之间的输输入阻抗抗是用来来衡量电电源供电电系统特特性的一一个重要要的观测测量。对对这个观观测量的的确定在在直流分分析中则则演变成成为IRR压降的的计算。无无论在直直流或交交流的分分析中，影影响电源源供电系系统特性性的因素素有：PPCB的的分层、电电源板层层平面的的形状、元元器件的的布局、过过孔和管管脚的分分布等等等。 电源地之之间的输输入阻抗抗概念就就可以应应用在对对上述因因素的仿仿真和分分析中。比比如，电电源地输输入阻抗抗的一个个非常广广泛的应应用是用用来评估估板上去去耦电容容的放置置问题。随随着一定定数量的的去耦电电容被放放置在板板上，电电路板本本身特有有的谐振振可以

4、被被抑制掉掉，从而而减少噪噪声的产产生，还还可以降降低电路路板边缘缘辐射以以缓解电电磁兼容容问题。为为了提高高电源供供电系统统的可靠靠性和降降级系统统的制造造成本，系系统设计计工程师师必须经经常考虑虑如何经经济有效效地选择择去耦电电容的系系统布局局。高速电路路系统中中的电源源供电系系统通常常可以分分成芯片片、集成成电路封封装结构构和PCCB三个个物理子子系统。芯芯片上的的电源栅栅格由交交替放置置的几层层金属层层构成，每每层金属属由X或或Y方向向的金属属细条构构成电源源或地栅栅格，过过孔则将将不同层层的金属属细条连连接起来来。 对于一些些高性能能的芯片片，无论论内核或或是IOO的电源源供电都都集

5、成了了很多去去耦单元元。集成成电路封封装结构构，如同同一个缩缩小了的的PCBB，有几几层形状状复杂的的电源或或地平板板。在封封装结构构的上表表面，通通常留有有去耦电电容的安安装位置置。PCCB则通通常含有有连续的的面积较较大的电电源和地地平板，以以及一些些大大小小小的分分立去耦耦电容元元件，及及电源整整流模块块(VRRM)。邦邦定线、CC4凸点点、焊球球则把芯芯片、封封装和PPCB连连接在了了一起。 整个电源源供电系系统要保保证给各各个集成成电路器器件提供供在正常常范围内内稳定的的电压。然然而，开开关电流流和那些些电源供供电系统统中寄生生的高频频效应总总是会引引入电压压噪声。其其电压变变化可以

6、以由下式式计算得得到：这里VV是在器器件处观观测到的的电压波波动，I是开开关电流流。Z是是在器件件处观测测到的整整个电源源供电系系统电源源与地之之间的输输入阻抗抗。为了了减小电电压波动动，电源源与地之之间要保保持低阻阻。在直直流情况况下，由由于Z变变成了纯纯电阻，低低阻就对对应了低低的电源源供电IIR压降降。在交交流情况况下，低低阻能使使开关电电流产生生的瞬态态噪声也也变小。当当然，这这就需要要Z在很很宽的频频带上都都要保持持很小。 图2：SSigrrityy PoowerrDC计计算得到到电源板板层上的的电流分分布。注意到电电源和地地通常用用来作为为信号回回路和参参考平面面，因此此电源供供电

7、系统统与信号号分布系系统之间间有着很很紧密的的关系。然然而，由由于篇幅幅的限制制，同步步开关噪噪声(IIO SSSO)引入的的电源供供电系统统的噪声声现象和和电流回回路控制制问题将将不在这这里讨论论。以下下几节将将忽略信信号系统统，而单单纯注重重电源供供电系统统的分析析。 直流IRR压降由于芯片片的电源源栅格(Powwer Griid)的的特征尺尺寸很小小(几微微米甚至至更小)，芯片片内的电电阻损耗耗严重，因因此芯片片内的IIR压降降已经被被广泛地地研究。而而在下面面几种情情况下，PPCB上上的IRR压降(在几十十到几百百毫伏的的范围内内)对高高速系统统设计同同样会有有较大的的影响。 电源板层

8、层上有SSwisss-CChesss结构构、Neeck-Dowwn结构构和动态态布线造造成的板板平面被被分割等等情况(图1)；电源源板层上上电流通通过的器器件管脚脚、过孔孔、焊球球、C44凸点的的数量不不够，电电源平板板厚度不不足，电电流通路路不均衡衡等；系系统设计计需要低低电压、大大电流，又又有较紧紧的电压压浮动的的范围。 图3：包包括和不不包括电电源整流流模块的的平板对对输入阻阻抗。例如，一一个高密密度和高高管脚数数的器件件由于有有大量的的过孔和和反焊盘盘，在芯芯片封装装结构及及PCBB的电源源分配层层上往往往会形成成所谓的的Swiiss-Cheess结结构效应应。Swwisss-Chhe

9、sss结构会会产生很很多高阻阻性的微微小金属属区域。根根据，由由于电源源供电系系统中有有这样的的高阻电电流通路路，送到到PCBB上元器器件的电电压或电电流有可可能会低低于设计计要求。因因此一个个好的直直流IRR压降仿仿真模拟拟是估计计电源供供电系统统允许压压降范围围的关键键。通过过各种各各样可能能性的分分析为布布局布线线前后提提供设计计方案或或规则。 布线工程程师、系系统工程程师、信信号完整整性工程程师和电电源设计计工程师师还可以以将IRR压降分分析结合合在约束束管理器器(coonsttraiint mannageer)中中，作为为对PCCB上每每一个电电源和地地网表进进行设计计规则核核查的最

10、最终检验验工具(DRCC)。这这种通过过自动化化软件分分析的设设计流程程可以避避免靠目目测，甚甚至经验验所不能能发现的的复杂电电源供电电系统结结构上的的布局布布线问题题。图22展示了了IR压压降分析析可以准准确地指指出一高高性能PPCB上上电源供供电系统统中关键键电压电电流的分分布。 交流电源源地阻抗抗分析很多人知知道一对对金属板板构成一一个平板板电容器器，于是是认为电电源板层层的特性性就是提提供平板板电容以以确保供供电电压压的稳定定。在频频率较低低，信号号波长远远远大于于平板尺尺寸时，电电源板层层与地板板的确构构成了一一个电容容。然而，当当频率升升高时，电电源板层层的特性性开始变变得复杂杂了

11、。更更确切地地说，一一对平板板构成了了一个平平板传输输线系统统。电源源与地之之间的噪噪声，或或与之对对应的电电磁场遵遵循传输输线原理理在板之之间传播播。当噪噪声信号号传播到到平板的的边缘时时，一部部分高频频能量会会辐射出出去，但但更大一一部分能能量会反反射回去去。来自自平板不不同边界界的多重重反射构构成了PPCB中中的谐振振现象。 图4：三三种设置置情况下下PowwerSSI计算算得到的的PCBB输入阻阻抗曲线线。(aa)不包包含电源源整流模模块；(b)包包含电源源整流模模块；(c)包包含电源源整流模模块和一一些去耦耦电容。在交流分分析中，PCB的电源地阻抗谐振是个特有的现象。图3展示了一对电

12、源板层的输入阻抗。为了比较，图中还画了一个纯电容和一个纯电感的阻抗特性。板的尺寸是30cm20cm，板间间距是100um，填充介质是FR4材料。板上的电源整流模块用一个3nH的电感来代替。显示纯电容阻抗特性的是一个20nF的电容。从图上可以看出，在板上没有电源整流模块时，在几十兆的频率范围内，平板的阻抗特性(红线)和电容(蓝线)一样。在100MHz以上，平板的阻抗特性呈感性(沿着绿线)。到了几百兆的频率范围后，几个谐振峰的出现显示了平板的谐振特性，这时平板就不再是纯感性的了。 至此，很很明显，一一个低阻阻的电源源供电系系统(从从直流到到交流)是获得得低电压压波动的的关键：减少电电感作用用，增加

13、加电容作作用，消消除或降降低那些些谐振峰峰是设计计目标。 为了降低低电源供供电系统统的阻抗抗，应遵遵循以下下一些设设计准则则：1. 降降低电源源和地板板层之间间的间距距； 2. 增增大平板板的尺寸寸； 3. 提提高填充充介质的的介电常常数； 4. 采采用多对对电源和和地板层层。 然而，由由于制造造或一些些其他的的设计考考虑，设设计工程程师还需需要用一一些较为为灵活的的有效的的方法来来改变电电源供电电系统的的阻抗。为为了减小小阻抗并并且消除除那些谐谐振峰，在在PCBB上放置置分立的的去耦电电容便成成为常用用的方法法。 图4显示示了在三三种不同同设置下下，用SSigrrityy PoowerrSI

14、计计算得到到的电源源供电系系统的输输入阻抗抗： a. 没没有电源源整流模模块，没没有去耦耦电容放放置在板板上。 b. 电电源整流流模块用用短路来来模拟，没没有去耦耦电容放放置在板板上。 c. 电电源整流流模块用用短路来来模拟，去去耦电容容放置在在板上。 从图中可可见，例例子a蓝蓝线，在在集成电电路芯片片的位置置处观测测到的电电源供电电系统的的输入阻阻抗在低低频时呈呈现出容容性。随随着频率率的增加加，第一一个自然然谐振峰峰出现在在8000MHzz的频率率处。此此频率的的波长正正对应了了电源地地平板的的尺寸。 例子b的的绿线，输输入阻抗抗在低频频时呈现现出感性性。这正正好对应应了从集集成电路路芯片

15、的的位置到到电源整整流模块块处的环环路电感感。这个个环路电电感和平平板电容容一起引引入了在在2000MHzz的谐振振峰。 例子c的的红线，在在板上放放置了一一些去耦耦电容后后，那个个2000MHzz的谐振振峰被移移到了很很低的频频率处(200MHzz)，并并且谐振振峰的峰峰值也降降低了很很多。第第一个较较强的谐谐振峰则则出现在在大约11GHzz处。由由此可见见，通过过在PCCB上放放置分立立的去耦耦电容，电电源供电电系统在在主要的的工作频频率范围围内可以以实现较较低的并并且是平平滑的交交流阻抗抗响应。因因此，电电源供电电系统的的噪声也也会很低低。 图5：针针对不同同结构仿仿真计算算得到的的输入

16、阻阻抗。不不考虑芯芯片和封封装结构构(红线线)；考考虑封装装结构(蓝线)；考虑虑芯片、封封装和电电路板(绿线)。在板上放放置分立立的去耦耦电容使使得设计计师可以以灵活地地调整电电源供电电系统的的阻抗，实实现较低低的电源源地噪声声。然而而，如何何选择放放置位置置、选用用多少以以及选用用什么样样的去耦耦电容仍仍旧是一一系列的的设计问问题。因因此，对对一个特特定的设设计寻求求最佳的的去耦解解决方案案，并使使用合适适的设计计软件以以及进行行大量的的电源供供电系统统的仿真真模拟往往往是必必须的。协同设计计概念图4实际际上还揭揭示了另另一个非非常重要要的事实实，即PPCB上上放置分分立的去去耦电容容的作用

17、用频率范范围仅仅仅能达到到几百兆兆赫兹。频频率再高高，每个个分立去去耦电容容的寄生生电感以以及板层层和过孔孔的环路路电感(电容至至芯片)将会极极大地降降低去耦耦效果，仅仅仅通过过PCBB上放置置分立的的去耦电电容是无无法进一一步降低低电源供供电系统统的输入入阻抗的的。从几几百兆赫赫兹到更更高的频频率范围围，封装装结构的的电源供供电系统统的板间间电容，以以及封装装结构上上放置的的分立去去耦电容容将会开开始起作作用。到到了GHHz频率率范围，芯芯片内电电源栅格格之间的的电容以以及芯片片内的去去耦电容容是唯一一的去耦耦解决方方案。 图5显示示了一个个例子，红红线是一一个PCCB上放放置一些些分立的的

18、去耦电电容后得得到的输输入阻抗抗。第一一个谐振振峰出现现在6000MHHz到7700MMHz。在在考虑了了封装结结构后，附附加的封封装结构构的电感感将谐振振峰移到到了大约约4500MHzz处，见见蓝线。在在包括了了芯片电电源供电电系统后后，芯片片内的去去耦电容容将那些些高频的的谐振峰峰都去掉掉了，但但同时却却引入了了一个很很弱的330MHHz谐振振峰，见见绿线。这这个300MHzz的谐振振在时域域中会体体现为高高频翻转转信号的的中频包包络上的的一个电电压波谷谷。 芯片内的的去耦是是很有效效的，但但代价却却是要用用去芯片片内宝贵贵的空间间和消耗耗更多的的漏电流流。将芯芯片内的的去耦电电容挪到到封

19、装结结构上也也许是一一个很好好的折衷衷方案，但但要求设设计师拥拥有从芯芯片、封封装结构构到PCCB的整整个系统统的知识识。但通通常，PPCB的的设计师师无法获获得芯片片和封装装结构的的设计数数据以及及相应的的仿真软软件包。对对于集成成电路设设计师，他他们通常常不关心心下端的的封装和和电路板板的设计计。但显显然采用用协同设设计概念念对整个个系统、芯芯片-封封装-电电路板的的电源供供电系统统进行优优化分析析设计是是将来发发展的趋趋势。一一些走在在电子设设计前沿沿的公司司事实上上已经这这样做了了。 参考文献献Inteernaatioonall Teechnnoloogy Roaadmaap ffor

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