PI基础知识及PDN设计

PI基础知识及PDN设计多媒体&终端设计部侯宪星电源完整性设计目录1、电源完整性PI概念2、PDN-设计基础3、PDN-元件选用4、PDN–如何测试PDN–PowerDistributionNetworPI–PowerIntegrity电源惹的祸？1、电源完整性PI概念真实世界的PDN1、电源完整性PI概念真实世界的PDN1、电源完整性PI概念什么是电源完整性馈电能力干扰能力被干扰能力1、电源完整性PI概念PDN重要性PDN的作用提供负载的工作电源提供稳定的参考电平电源问题电源噪声越大，信号抖动越大电源噪声越大，信号噪声裕度越小电源噪声导致电路功能故障电源噪声导致EMI超标2、PDN-设计基础直流DC特性PDN满足负载对电源电压的要求（控制压降）PDN满足负载对电源电流的要求（控制温升）交流AC特性确定动态电流、目标阻抗选用合适的电源芯片或电源模块根据目标阻抗设计电源去耦网络确定去耦电容规格量化去耦电容数量信号参考平面的PDN要求低阻抗没有目标阻抗要求或目标阻抗值偏高的PDN不适合作为高速信号的参考平面2、PDN-设计基础PDN设计要求PDN布线依据电源通道上的最大负载负载上允许的压降PCB允许的温升背板允许温升上限5°C~15°C单板允许温升上限5°C~25°C通常温升设计越低越好，空间紧张处局部可以取上限值理论计算一般应用，按照IPC2221简单计算特别严酷的设计需使用有限元仿真工具2、PDN-设计基础PDN载流能力及压降线宽的计算电流、铜厚、温升计算压降：线长过孔的通流能力估算表2、PDN-设计基础PDN载流能力及压降Inputs：Current30AmpsThickness2oz/ft^2T_Rise10Deg.Ctrace_length50mmResults(interneal)Req.TraceWidth1676.579891milResistance0.000289184ohmsVoltageDrop0.008675528voltPowerLoss0.260265836wattsC.D10.06387526A/mm^2Results(external)Req.TraceWidth644.4815156milResistance0.000752295ohmsVoltageDrop0.022568864voltPowerLoss0.677065916wattsC.D26.18056605A/mm^2K修正系数：内层0.024，外层0.048；S导线截面积；△T温升PDN参考电平以GND为参考的单端信号，接收端的差分放大器输入电压为：Ui=Uo–Un-Ur两个门电路之间的GND噪声Un叠加在信号电压上，Un降低了门电路的噪声裕度2、PDN-设计基础PDN参考电平信号回流经过公共GND线时，产生噪声为降低公共回来噪声，要求低阻抗GND回路GND平面就可用作降噪声的低阻抗通道除GND回路的自感之外，GND上受到其它干扰也会产生噪声芯片电源管脚之间以及电源到芯片电源之间也都应该是低阻通道，才能保护稳定的信号电平电源回路噪声电源与地之间也必须有低阻通道高电平输出时，负载回路产生的电源噪声影响输出电压2、PDN-设计基础电源供电系统的要求PDN的要求提供稳定的参考电压低的公共通道噪声维持负载上一致的电源电压去耦电容为电源地提供低阻通道旁路电容去耦电容滤波电容电容的三种称谓根据电容作用和位置的三种称谓旁路电容为交流噪声或回流提供一个就近的通道，降低干扰去耦电容作为芯片的储能电容为开关电流提供就近的通道，降低电源上的噪声滤波电容在滤波器电路中，过滤某个频段交流分量PDN的实现电源地网络常用电源地平面设计电源地平面对为高频电流低阻通道分立电容为低、中频电流提供低阻通道电源地平面作为信号线参考平面和信号的回流通道PDN的模型电源IC芯片（动态电流源）大电容（体积大、容量大）高频陶瓷电容电源地平面PDN的模型电源（线性稳压电源、开关稳压电源、电荷泵电源)大电容（电解电容、钽电容、陶瓷电容）中高频陶瓷电容（介质：X7R,X5R,NPO,Y5V）电源地平面IC芯片（开关过程产生动态电流，芯片去耦电容）PDN的模型器件开关过程–动态电流的产生动态电流与电源噪声电源噪声取决于动态电流的大小电源阻抗电源噪声产生EMI电地平面边缘辐射通过线缆共模辐射芯片电源需求趋势电源电压越来越低要求电源噪声越来越小同样是5%，3.3V的5%是165mV；1.0V的10%只有50mV功耗越来越高动态电流越来越大要求PDN的阻抗越来越小，PI设计问题日益突出芯片功耗的构成PDN的电路模型电源噪声等于动态电流乘电源阻抗动态电流Id(t)需频域描述电源阻抗只适合用频域描述电源噪声的求解方法通过时域频域，再频域时域求解PDN的目标阻抗目标阻抗---电源允许的纹波（电压乘百分比纹波）与动态电流之比PDN采取分管频段策略来满足目标阻抗要求电源大电容高频陶瓷电容电源地平面芯片内PDNPDN的目标阻抗目标阻抗Ztarget是频域的设计指标电源阻抗Zs的考察点在芯片的电源地端口ZsZtarget,电源噪声Vn一定满足设计指标要求，保守的设计以此为准则ZsZtarget,电源噪声Vn很可能不满足设计指标要求。只有在ZsZtarget频段动态电流极小时Vn才能满足。激进的设计方式当从PCB上来考察Zs时，假如无法得到芯片封装和芯片的精确模型，在判断时存在模糊空间，常以业界的经验值参考PDN的目标阻抗VRM、PCB去耦网络、芯片三部分各自起作用频率大概的范围VRM大约作用于DC到低频段（100K左右）PCB板上去藕电容网络作用于中频段（数10K到100-300M）CORE电源芯片内有高频去耦，PCB上的去藕只需要负责到最高50-100M芯片封装和芯片负责高频段（100-300M以上）芯片不同的电源种类，要求PCB上去藕电容的作用范围不同PDN元件–VRM(VoltageRegulatorModule)开关电源的原理框图与输出阻抗特性PDN元件--VRMimpedanceandStepResponse阻抗的三个区域1区DC~数十KHz控制环路决定阻抗2区控制环路与VRM的外接电容共同作用3区数倍开关频率以上控制环路对阻抗影响逐渐消失阻抗曲线越平坦电源越稳定PDN元件–VRM输出阻抗测试测试仪器：低频网络分析仪PDN元件–VRM输出阻抗测试测试仪器：低频网络分析仪PDN元件–VRM的简化模型二元件模型电感ESL，表征VRM在数倍开关频率后的阻抗特性芯片去耦需要多少大电容，ESL是关键指标电阻ESR,表征VRM的直流阻抗后面将要介绍的去耦电容量化工具用的就是这种二元件模型PDN元件–VRM的简化模型四元件模型PDN元件--正确应用VRMVRM外接的bulk电容属于反馈环路的一部分在应用VRM时，应该遵守其对bulk电容及ESR的要求保证VRM的反馈环路稳定（图示例为不稳定状态）从性价比综合考虑，选择合适的VRMPDN元件--VRM噪声测量20M带宽测量：Ripple500M带宽测量：High-frequencyringingPDN元件--电容芯片封装和芯片上的去耦电容作用于高频PCB上的去耦电容承担VRM到芯片之间的频段PDN元件--电容电容的实际模型ESR串联等效电阻ESL串联等效电感，包含电容本体电感和安装电感两部分ESL直接影响电容的高频阻抗，在任何情况下都应该将安装电感最小化PDN元件--电容组合多种电容规格并联组合出现的并联谐振，也称反谐振PDN元件--电容安装电感安装电感布线电感Ltrace线长线宽电容离电地平面高度过孔电感Lvias电容离电地平面高度过孔孔径电地孔孔距平面电感Lplanes电地平面对间距电容与芯片的距离过孔孔径布线方式决定安装电感Ltrace+Lvias远大于LplanesPDN元件--电容安装电感Lvias,Ltrace布线宜侧面引线（VOS)、线粗（20mil）、短（20mil)、孔大（=10mil)、近电地平面PDN元件--电容安装电感Lplanes影响Lplanes的因素与强弱电源地平面间距，影响最强电容与芯片的距离，若与地平面间距小到4mil,电容的距离影响较小4mil平面间距电容距离1000mil，与8mil平面间距电容距离140mil相当过孔大小，有条件尽量用较大孔径的过孔PDN元件--电容安装电感优化合理利用电流回路中的互感可以抵消一部分安装电感合理的布线中红圈与两个小蓝圈的磁通可以抵销一部分，从而降低电感PDN元件--电容安装电感优化利用多个电源地平面对降低安装电感利用信号层的空地加电源地shape构造多个电源地平面对有效减小电流的回路面积，降低回路电感（见图中红色路径）电源地平面对本身就构造成了高频平板电容目标阻抗在毫欧级的设计有时需要多个电源地层PDN元件电容（全局电容、本地电容）本地电容LocalCapacitor布局中芯片下和芯片附近（如500mil/12.5mm)的电容是芯片的本地电容全局电容GlobalCapacitor距离芯片较远电容对该芯片是全局电容对芯片而言，本地电容与全局电容起作用的频段有差异PDN元件电容（全局电容、本地电容）本地电容LocalCapacitor高频特性优于全局电容GlobalCapacitorPDN元件电容的选用与布线小结PDN元件电源地平面电源地平面的阻抗模型低频，平板电容中频，分布电感+分布电容高频，与模数（m,n)、平面大小（a,b)、位置（x,y)相关的非常复杂的结构PDN元件电源地平面电容PDN元件电源地平面谐振电源地平面构成的电磁腔体，具有固有的结构性谐振由于平面对间距相对非常小，对矩形平面只计算长和宽谐振的频率主要与模数（m,n)、平面大小（a,b)相关PDN元件平面谐振的物理意义（1，0）模Fres是长边的最低驻波频率（0，1）模Fres是短边的最低驻波频率4”=101.6mm/25”=124mmVIxxSideoftheboard(d)=5“or4“correspondstoonehalfwavelengthofthestandingwaveformed.Iftheresonanceisformedalongthe5”side,d=/2=5”==10”=254mm.Thevelocityofpropagationofthewavecanbefoundfromv=c/rwherecisthevelocityoflightinfreespaceandristherelativepermittivityofthemedium.Forarelativepermittivityof4,v=1.5X108m/s.Fromthevaluesofvandweget,fo=1.5X108/254X10-3=590.551MHz.Similarlyforthesided=4“wegetfo=1.5X108/203.2X10-3=738.188MHzPDN元件平面谐振频点计算举例127mm*101.6mm平面谐振频点的计算与阻抗曲线仿真n,m012300.590GHz1.181GHz1.771GHz10.738GHz0.945GHz1.39GHz1.919GHz21.476GHz1.59GHz1.89GHz2.306GHz32.214GHz2.291Ghz2.509GHz2.836GHzComparisonbetweenanalyticallycalculatedandsimulatedresonancefrequencies585MHz720MHz915MHz1.17GHz1.38GHz,1.45GHz,1.