电源完整性（PI）仿真让电路板更完美

2016-11-11 by:CAE仿真在线来源:互联网

为PCB(印刷电路板)上的芯片提供电能不再是一种简单的工作。过去,通过细走线将IC连接到电源和地就行了,这些走线占不了多少空间。当芯片速度升高时,就要用低阻抗电源为它们供电,如用PCB上的一个电源层。有时候,只需要用四层电路板上的一个电源层和一个地层,就可以解决大多数电源完整性问题。除了电源层以外,还可以为每只IC去耦,以解决设计中繁琐的电源问题。

不过,现在的PCB空间(还有成本与你的日程)都很紧张,这些问题也带来了对电源的影响。

Mentor Graphics公司的仿真与模拟系列产品高级总监Dave Kohlmeier称:“消费设备与便携设备都在为节省成本而使用更少的PCB层,但它们上面的IC却需要更多的电压等级。”这些问题不仅影响着便携产品,工业产品也有空间约束(图1)。一个现代蜂窝基站的电路要装在天线上的一个小盒子里,而天线通常位于建筑内的19英寸机架中。

在大批量的消费产品与汽车产品中,成本是关键因素。在PCB上放一堆可能不需要的电容,肯定是不可接受的。为获得成功,设计周期会缩短到以周以月计,而不是年。现在,不可能只为了修补和优化电源层和地层而花时间去重做一遍PCB板。

为现代电子产品设计电源系统是一个令人畏惧的挑战。DDR存储器工作在1600Mbps,并很快就会运行到四重模式的2200Mbps。更糟糕的是,它是一种单端输出,意味着你的电源系统必须应对电源电流的突发性挑战。器件中的数字门可能同时都在开关,电源完整性工程师将这种特性描述为同步开关噪声。串行通信有着困难的电源需求。802.3ba以太网标准要求的数据速率为40Gbps和100Gbps(参考文献1)。
现代数字芯片的运行电压低于1V,这意味着,即使毫伏级的噪声也会造成与数据相关的问题。多只芯片会从统计上增加和造成电源下降或过压问题。你的系统可能数周甚至数月都运行正常,而某个时刻所有数字电路的同时开关却造成系统的重启。这些电源完整性问题都难于查出。系统中单只芯片的电源完整性问题可能影响系统的其它芯片,从而导致重启。美国国家半导体公司的模拟应用工程师Paul Grohe指出:“即使纳秒级的电力损失也会使系统不可靠。”Ansys公司信号完整性产品经理Steve Patel称,设计可靠性的关键在于尽可能减小电源噪声,意味着数字系统工程师必须懂得模拟甚至RF的设计概念。
电源系统工程师知道,电源系统必须有低的阻抗(图2),而模拟工程师的概念是,模拟IC电源脚上的噪声越小越好。与数字芯片不同,模拟芯片不存在噪声阈值。PSRR(电源抑制比)规格说明了有多少电源噪声会渗入到器件的输出脚。数字系统工程师现在也必须应付相同的电源噪声问题(见附文“请换个人跟我谈”)。

Sigrity公司产品营销经理Brad Brim说,为芯片提供电能的电源分配网络需要有低的等效电感:对内核电压为0.01nH,对I/O电源为1nH。他指出,电源层会将噪声耦合到信号中。某些情况下,布放在两个地层之间的一根信号线有15mV的噪声。当布局人员在电源层和地层之间布放相同信号时,它的噪声达45mV。
电源完整性工具可以对设计做出一种决定性的优化。当你做布局优化时,不能使用经验性的去耦方法。Ansys公司的Patel称,软件能帮助你决定电容的数量、类型以及成本。这些工具还能告诉你改变各层之间距离的效果。例如,TechDream公司总裁兼创始人Yoshi Fukawa称,NEC公司的PI(电源完整性)Stream能通过增加或移动电容,改变容值和层的形状,以及改变电源层与地层之间的距离,帮助你获得自己的阻抗目标。

Mentor公司的Kohlmeier认为:“你可以用CAD文件做假设分析的实验。这比硬件重试要快得多。这就是虚拟原型的价值。”因此,仿真软件的使用就很重要,这样可以在设计阶段的早期做出关键性的决策。改变电容位置、电容数量以及其它变量也许不会影响到其它部门,但为了提高层间电容而减少层间距离,则会影响整个设计团队(图3)。Sanmina-SCI有专利的现代制造方法,可以设计出4mil介电质的层间厚度,增加了层间的电容。

解决问题的方法

Kohlmeier表示,电源完整性仿真要比很多工程师的预期更加困难,因为必须考虑每只电容、连接过孔,以及功率层的结构。他指出,连接两个层面的过孔会降低供电网络的阻抗,因此它和电容一样重要。与电源完整性不同,信号完整性一般会涉及一些走线,用示波器就可以在时域中测量信号完整性。使用Port 1至Port 1的Z11阻抗曲线,对电源完整性的仿真可以得到频域的阻抗。

要了解一个功率层的阻抗问题,需要一台VNA(矢量网络分析仪),它很难使用。仿真是测量的补充,而不是替代,它们能在制造前就提供出有关PCB性能的重要信息。Sigrity公司的Brim称:“无论你的仿真软件有多快,也快不过一次测量。”不过他指出,你得有一块已制造好的PCB才能做快速测量。

你必须相信IC设计者已完成的工作,相信所使用的芯片没有电源完整性问题。Ansys公司的Patel称,“IC及其打线都不是电源完整性的关键,”因为IC电源管脚与打线都是并联的(图4)。Mentor Graphics公司HyperLynx的工程总监Steve Kaufer就认为,那些缺乏避免电源完整性和信号完整性问题的技术知识的布局工程师们,则经常是问题的根源。

电源完整性软件能帮助你解决直流和交流问题,另外电源层与地层之间的空穴都是RF波导。为处理直流问题,必须确保PCB层可以承载需要提供的电流量。为处理交流问题,必须确保电源系统可以为现代芯片提供所需的快速变化电流。最后,注意波导的行为可能是非直观的。RF问题在防备EMI(电磁干扰)问题时很重要,它会使你的电路板无法通过FCC(联邦通信委员会)的认证。如果设计采用了大的板面,则使用仿真就很重要,大板面会产生谐振。如果你的板面会从层间空腔发射出RF,则用适当的软件仿真可以帮助EMI工程师解决这类问题。纠正方法可以是围绕电路板边缘布放电容。Sun Microsystems公司有一个专利6727780,它使用与电容串联的电阻,这样RF能量就能在电路板边缘被吸收,而不会反射回结构内。
数字芯片要求有大的电流,这可能造成直流电源的供电问题(参考文献2)。FPGA和其它数字芯片都需要很多种电源电压,因此,必须将电源层分割开,以提供多个电压轨。数字芯片还有几百个管脚,需要数百只过孔,会覆盖电源层和地层的广大铜箔区域。必须确保在为这些层所选择的铜箔上,电流密度保持低于某个合理值(图5)。

高的直流电流也会造成热问题。铜的温度系数为0.4%/°C,即温度每升高25°C,电阻增加10%。这种电阻的增长出现在沉重负载下,此时可靠性非常关键。电阻的增长亦使温度升高,减少了电路板上元器件的寿命。
一旦有了充足的铜箔提供直流负载,就要注意电源层的交流设计(图6)。电源完整性仿真能够检查返回电流流经电源层的位置。在运行时,一只数字芯片获得的电流强度是不同的,而且以纳秒为单位变化。电源系统必须有足够低的交流阻抗,能随电流而变化(表达式为di/dt,即电流导数/时间导数),从而不致使芯片管脚的电源电压发生大的变化。由于di/dt也会发射电磁能量,这些偏移可能造成EMI问题。因此,信号完整性、电源完整性和EMI符合性都是相互关联的。如果没有仿真,你的设计就可能出现过孔间的串扰和其它似乎莫名其妙的问题。
软件选择一个电源网络的实际几何尺寸对其性能非常重要,因此大多数软件供应商都在自己的电源完整性工具中使用了场解算器技术(参考文献3)。
这些工具应能给你一个快捷答案和精确的结果。RF-IC与系统设计者一般使用全波场解算器,解3D的Maxwell方程。不过,3D场解算器要花很长时间才能得到结果,尤其是用于相对较大的物理项时,如PCB板。因此,电源完整性供应商在自己的电源完整性工具中设计了混合型解算器技术。在解算走线时,这些工具采用一种利用传输线理论快速技术的2D解算器。在仿真平面时,工具可以使用2D或2.5D的有限元技术。在某些情况下,软件可以用一种集总参数元件的电容和电感模型,为过孔建模。要获得更精确的结果,工具可对过孔采用一种全波3D解算器。
另外,还可以采用一种全波解算器去仿真3D结构的效果,如连接器管脚以及电源路径中的其它机械器件。软件供应商还在自己工具中置入了热分析功能。可以单独使用它,或将热量信息输出给一个专用的热分析工具,如Mentor Graphics公司的FloTherm,这是一个CFD(计算流体动力学)的3D仿真环境。Mentor公司的HyperLynx仿真工具可以做自己的热分析,并将结果输出给FloTherm,这样就可以建立整个系统或一个机箱的热性能模型。

Agilent公司重新发展了自己的ADS(先进设计系统)Momentum产品,它能针对有极多过孔的电源层和地层,提供仿真结果。它还能用于功率层有少量走线的设计。MOM(矩量法)是针对多层结构的最快仿真方法,它能解算全3D场,包括Maxwell方程中的全部项。这种全波方案考虑了法拉第定律的高频效应,以及Maxwell为Ampère方程增加的代换电流项(参考文献4)。用MOM仿真大型层面非常耗时,因此Agilent公司发明了一些算法,可以减少获得精确结果所需要的时间。

Agilent公司高速数字产品拥有者Colin Warwick说,工具采用了一种树/协作树(tree/co-tree)方法,可一直用到直流。
另外也可以对平面部件,采用集总参数分析方法。NEC公司的PIStreamn软件将平面建模成为集总参数的矩阵,使之适用于使用Spice引擎和其它集总参数技术的分析。对于一个平面,软件会使用PEEC(部分元等效电路)技术,生成一个RLGC(电阻/电感/电导/电容)的等效物。软件同时会为过孔和电源层与地层之间形成的空腔建立集总参数模型(图7)。软件还会采用一种串联RLC(电阻/电感/电容)模型,为去耦电容建模,这个模型综合考虑了电容器的寄生电阻与电容以及扇出走线和过孔的寄生电阻与电感。你可以通过建立仿真运行,快速完成单一板对的分析。当改变设置时,软件将做一个考虑到全部相关板面的多层分析。

除了仿真成品板的物理结构以外,HyperLynx这类软件工具还能做电路板层和去耦结构的早期平面规划。然后可以快速运行一个分析,从而获得一些有关传输阻抗和其它变量的概念。Giga Hertz技术公司开发了一种更快的Spice引擎,将其集成到NEC的PDN(电源分配网络)Expert中。通过这些平面规划工具,可以手动概略描述出PCB和层面,在设计早期优化电容。这样,就可以获得有关板面形状、尺寸、层叠,以及电容数的概念。
一些PC界的电源完整性软件供应商(如Mentor Graphics与Cadence)将自己的工具整合到了设计流中。尽管这并不能消除由一家供应商提供全部工具的担心,但电源完整性仿真使用了PCB的一个物理表述,成为一个几何模型。Ansys与Sigrity公司都能接受来自Cadence的Allegro、Mentor Graphics的PADS,以及Zuken和Altium等公司工具的输入。Agilent公司的电源完整性工具源于其在RF设计方面的专业知识。除了与ADS设计工具合用以外,该公司的EMPro软件还可以输入来自Cadence的Allegro的PCB数据。客户经常会将NEC的PIStream与Zuken的PCB工具一起使用,但该软件也可以接受Cadence的Allegro和其它PCB软件的输入数据。
虽然有些工程师更喜欢自己的电路板流程中的整合工具,但从Ansys这种仿真专业公司获得工具也有一些优点。例如,该公司的SI(信号完整性)Wave工具类似于Mentro Graphics公司的HyperLynx,而PIAdvisor工具可以帮助你深入探究电源完整性问题。该工具拥有针对过孔仿真的3D解算器。另外,还可以使用Ansys公司的HFSS(高频仿真器系统)工具,做物理问题的全3D仿真,如连接器和其它3D几何形状。一些客户会将Ansys电源完整性工具和信号完整性工具的输出结果输给自己使用的同一个HFSS工具,对机箱建模。这样,他们就可以评估产品的EMI。CST(计算机仿真技术)的EM Studio软件可接受Gerber PCB文件的输入,并可以计算3D IR(电流/电阻)降。
你所选择的软件必须拥有所需要的能力。很多公司希望你分开来解决信号完整性和电源完整性问题,他们假定,一旦你充分减少了电源阻抗,就会关注信号完整性。这一方案的问题是,电源噪声与信号噪声是交互作用的。为解决这个问题,Sigrity公司允许你在信号完整性上仿真电源噪声的效果(图8)。CST公司的Microwave Studio也可以分析从紧密靠近的电源层传播的噪声。

高价问题电源完整性软件的价格经常会让没有经验的工程师目瞪口呆。一个简单的DC仿真器就可能要15000美元,而一个包含电源完整性、信号完整性和热解算器的完整系统,可能要价75000美元。这个数字对软件来说似乎很高,不过应该考虑到电源完整性失败的成本。一块复杂电路板的重制,在制作和工程方面可能要花5000美元或1万美元,而未及时上市的成本则达100万美元。另外一个考虑是系统的BOM(物料单)成本。如果电源完整性软件可以在电容上节省50美分,则对一个大批量产品,就可能在几个月内挣回电源完整性软件的费用。
Ansys公司的Patel发现,过去做电源完整性、信号完整性和EMI分析的三名工程师是互相隔离的。现在,虽然仍可能是一名工程师做EMI分析,但这个人先要与一个做电源完整性和信号完整性分析的人一起工作,他们经常会共享同一种软件。Sigrity公司的Brim指出,IBIS(输入/输出缓冲规范)5.0有电源-地

和信号数据,使仿真软件可以将5.0模型电源脚的噪声关联到通过输出泄漏的噪声,类似于模拟器件中的PSRR规格。所有这些功能联合成一种效果,即让你拥有一个设计良好的可靠产品(图9)。

如果你了解并知道如何使用这些昂贵的工具,则作为一名工程师的身份就会倍增。对于喜欢CAD(计算机辅助设计)软件的工程师来说,这些工具的学习并不难。Mentor Graphics公司在公司的很多销售场所都提供HyperLynx的免费学习课程。如果你有其它类型仿真器的经验,那么学习电源完整性工具就基本没问题。需要学习和理解的是频域的概念和专门术语,如RF设计者那样。如果在现有时域经验上增加了这些知识,你就能接受最严格的设计挑战,成为一个赢家。

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