高速數(shù)字設計為什么要提前預測電源完整性？

janejiang

如果產品在設計末期未能通過一致性測試，會造成極其昂貴的代價。通過新增濾波器和電容器進行改造會增加制造成本。重新設計則會延誤產品開發(fā)進度， 造成收入損失。最好的辦法是在設計階段盡早開始了解和解決潛在的電源問題。 電源完整性分析的目的是確保電路板上的驅動器和接收機能夠獲得所需的電壓 和電流來支持它們正常工作。為確保電源完整性，您要避免直流壓降（這個指標 衡量的是流經電源和接地面電阻的電流所造成的電壓損耗）。

早期設計探索非常關鍵 有三個因素會給電源完整性造成挑戰(zhàn)并增加直流壓降的影響。
1. 器件集成度提高——電路板上的走線越密集，電源網絡中的 電流密度就越高，直流壓降也就越大。
2. 電源電壓降低——1 V 上 10% 的容差比 1.2 V 上 10% 的容差 更為嚴格，因此會擴大壓降的影響。
3. 外形尺寸縮小——PCB 上的空間更小，導致電源面的空間壓縮， 造成直流壓降。
您不能等到完成版圖設計之后才執(zhí)行電源完整性分析。早期設計探索 對于成功打造高速數(shù)字電路板非常關鍵。

理解電源完整性的兩個關鍵分析

早期仿真和分析有助于確保電路板的電源完整性。請務必將這兩種分析納入 您的整體高速數(shù)字設計流程。

分析 1：直流 IR 壓降
在 PCB 上分配電源時，如果壓降過大，負載上的電壓可能無法達不到所要求 的器件技術指標。直流 IR 壓降分析可以確保 PCB 走線和平面滿足電源要求。 通過這一分析，您可以直觀地了解所選電源和接地網絡的電壓分布情況。您還 可以查看電流密度，從而了解如何更 好地改進設計。請務必查看電源穩(wěn)壓器 模塊及其過孔的布置。您還要考慮過孔周圍的空隙，電流在此被迫通過狹窄的路徑。

分析 2：交流阻抗
從直流角度考慮電源完整性固然重要，但從交流角度考慮電源完整性也同樣具 有非常重要的意義。在 PDN 中，有多個集成電路充當了接收機的角色，每個集 成電路以不同的頻率開關從而形成交流。去耦電容器可存儲局部電荷，同時盡 量降低電流變化的影響。 通過交流阻抗分析，您可以確定去耦電容器的最佳數(shù)量，從而最大程度地降低 交流效應。由于電路板上的空間有限，優(yōu)化去耦電容器的數(shù)量能節(jié)省制造成本。 您打造的最優(yōu)設計應不僅具有數(shù)量最少的去耦電容器，還能確保穩(wěn)定性。

實現(xiàn)平坦阻抗設計的目標

過去，電源完整性工程師使用目標阻抗來確保在所需的頻率范圍內提供足夠 的功率。目標阻抗代表了 PDN 能承受的最高阻抗。設計人員認為，如果將目標 阻抗保持在這個限值以下，電源完整性不會構成問題。 在當今的高速數(shù)字電路板上，目標阻抗還不夠高。您必須考慮影響電路板的 其他噪聲源。從直流到最高頻率分量的 PDN 阻抗必須平坦，而不能只是單純地 低于目標阻抗。為了確保得到平坦的阻抗，您可以用電源的反饋環(huán)路濾除低頻， 用去耦電容器濾除中頻和高頻。您需要一個“最優(yōu)阻尼”設計來避免紋波，并為 電流需求中的大階躍提供快速穩(wěn)定時間。平坦阻抗方法可以同時滿足這兩個需求。

優(yōu)化平坦阻抗

優(yōu)化平坦阻抗意味著使用非常少的電容器來獲得平坦阻抗，同時避免可能導致 狂野電壓波的高諧振。減少電容器的數(shù)量還可以減少焊點，讓可靠性也得到 提高。優(yōu)化平坦阻抗可以改善性能、降低成本、提高可靠性。 將直流 IR 壓降和交流阻抗分析相結合，并針對平坦阻抗進行設計，可以提供 全面的電源完整性工作流程。只要解決了這些分析中發(fā)現(xiàn)的問題，您就可以 信心十足地設計從發(fā)電到交付給負載的整個電源完整性生態(tài)系統(tǒng)。