高速測(cè)試丨電容配得好，紋波自然��！

edadoc

作者：黃剛（一博科技 高速先生自媒體團(tuán)隊(duì)成員）
. d4 p. I4 y. p( F3 b弱弱的問下大家，如果一個(gè)板子沒有經(jīng)過仿真只憑借設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)完成了設(shè)計(jì)，板子加工貼片后測(cè)試發(fā)現(xiàn)電源紋波超過了要求，你們下一步會(huì)做什么？只有再重新設(shè)計(jì)然后投板回來再測(cè)試看看這一條路嗎？

: X& ?. f0 W  Q- G  C9 ]; j- J0 P
" F9 y3 e; p  |+ O5 @文章的一開始肯定是循例說一些理論知識(shí)（干貨），既然本文的內(nèi)容是講電源紋波噪聲的，我們?cè)赟I領(lǐng)域上就必定會(huì)提到一個(gè)專業(yè)名詞，那就是下面這個(gè)詞了。
PDN，power delivery network，江湖人稱電源分配網(wǎng)絡(luò)，從字面的意思來理解，實(shí)際上它是一個(gè)泛指，指的是PCB或者系統(tǒng)上的電源網(wǎng)絡(luò)。而在我們SI領(lǐng)域中賦予了新的含義，它指的是我們仿真概念中的PDN阻抗，也就是電源網(wǎng)絡(luò)的頻域阻抗。下圖是高速先生在多個(gè)場(chǎng)合都反復(fù)用過的一張圖了。
( r+ ~* B/ R% {, \! G
我們知道，從電源芯片到負(fù)載芯片，其實(shí)電源網(wǎng)絡(luò)會(huì)經(jīng)過幾個(gè)典型的地方。首先是從電源芯片出發(fā)，會(huì)經(jīng)過電源芯片的封裝，然后電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到PCB板上，PCB板上我們都會(huì)放置大大小小的電容，然后去到我們負(fù)載芯片的pin。對(duì)！只是pin，并不是真正的負(fù)載位置，因?yàn)樾酒�是要進(jìn)行封裝的，從pin到die還要經(jīng)過芯片的封裝，封裝會(huì)有電感的產(chǎn)生，電源網(wǎng)絡(luò)只有經(jīng)歷了這重重的考驗(yàn)才能順利達(dá)到真正的負(fù)載接收端。所以電源網(wǎng)絡(luò)在整段路徑都需要特定的電容才能進(jìn)行濾波，例如在電源輸出端需要bulk電容，PCB上需要小點(diǎn)的電容，在芯片封裝里面嚴(yán)格來說還需要更小的電容，終于通過die內(nèi)的強(qiáng)力電容完成任務(wù)。值得一提的是，不同區(qū)域的電容其實(shí)它們只能去管到屬于自己的那個(gè)頻段而已哈！上面的關(guān)于PDN阻抗的原理，雖然高速先生已經(jīng)多次提起了，但是只要能再讓粉絲們熟記的話，我們是愿意重復(fù)再重復(fù)的哈。
4 e4 }1 q5 n9 Z  `$ ]% V! x+ n/ E
關(guān)于PDN阻抗或者電源噪聲的介紹，大家可以去關(guān)注高速先生最新的視頻，這里會(huì)有更詳盡而且生動(dòng)的講解！

. s+ X0 s0 q4 K; E9 W7 H( ]7 yhttps://bbs.elecfans.com/forum.php?mod=post&action=newthread&special=7
+ P( B+ J7 N  c. k  @" G3 ?& Z; b好，上面快速的講完原理之后，我們正式進(jìn)入了這個(gè)案例。我們SI工程師和硬件測(cè)試工程師對(duì)于電源噪聲的理解其實(shí)是有不同的側(cè)重點(diǎn)的。我們更多喜歡在頻域的角度去分析，例如上面所說的PDN阻抗，而硬件測(cè)試工程師則喜歡時(shí)域的仿真，也就是我們所說的紋波，一般用示波器進(jìn)行測(cè)量。這個(gè)差異是由很多因素決定的，這里不再展開了。


( z! T0 }7 {. a6 r& f$ j回到我們一開頭的問題，我們就有這么一塊已經(jīng)做出來的板子，硬件工程師測(cè)試FPGA上0.85V的電源發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5%的紋波要求，然后向我們求助。
+ m* J  O6 |3 m5 B7 M+ \我們拿到了客戶設(shè)計(jì)的板子去看該電源網(wǎng)絡(luò)的情況，會(huì)發(fā)現(xiàn)bulk電容和一些大電容都擺放得有點(diǎn)遠(yuǎn)，從設(shè)計(jì)上看其實(shí)是沒有做到很完善的。從客戶處了解到，這個(gè)項(xiàng)目客戶并沒有找我們進(jìn)行仿真，只是靠FPGA芯片的設(shè)計(jì)指導(dǎo)進(jìn)行布局布線和濾波電容的放置。

3 I7 ~1 `& L4 K大家知道，當(dāng)一個(gè)PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)完成并且做出來之后，其實(shí)里面的很多東西就已經(jīng)是固定了。例如電源芯片和FPGA芯片的布局、布線、電源反饋點(diǎn)的位置等等，因此肯定做不到把位置遠(yuǎn)的電容把它們?cè)谧龊玫陌遄由先ダ�近一點(diǎn)這個(gè)操作了，同樣也不可能把電源平面再加寬一點(diǎn)或者把電源銅厚再加厚，也不可能把電源反饋點(diǎn)的位置進(jìn)行變化了。

恩，在大多數(shù)的眼中，看起來只能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)再去制板了。然而高速先生還想再糾結(jié)一把，想看看能不能在原有的板子去改動(dòng)點(diǎn)什么能減小點(diǎn)噪聲。看著看著，高速先生突然關(guān)注到了一個(gè)點(diǎn)，那就是電容的配置。
/ t9 d5 a) o; [, Z
+ z3 V& Z) c9 D; d
' h" W9 u7 q  x! Y2 K! _我們看到原來該電源網(wǎng)絡(luò)的電容配置是這樣的：
看起來是還可以，從大電容到小電容都是有的，種類也算比較齊全。但是高速先生還想看看它能不能經(jīng)受我們仿真的考驗(yàn)。我們通過客戶提供的最大電流進(jìn)行PDN阻抗的仿真，驚訝的發(fā)現(xiàn)，在需要看到的10MHz前的頻域內(nèi)，現(xiàn)在板子的PDN阻抗在5到6MHz是有明顯的超標(biāo)，PDN阻抗居然是不滿足要求的。
# F4 O) x8 S  t6 }
% e; \2 l6 F8 A這樣高速先生就有底氣告訴客戶，我們有希望從電容的配置著手，通過改變電容大小和種類的方法來實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前的板子上減小噪聲！
3 e+ }" H! d8 e( w
在原有電容位置不能挪動(dòng)的情況下，我們經(jīng)過多次迭代仿真，把某些電容的值進(jìn)行了調(diào)整，最終給出的BOM表改成了如下的樣子。

3 S9 v/ w: l: D, A這個(gè)時(shí)候我們優(yōu)化后的PDN阻抗曲線就基本滿足目標(biāo)阻抗了。

0 z  R) t* }. a3 Y1 R, q最后我們拿著這個(gè)優(yōu)化后的仿真結(jié)果去慫恿，哦不是，是鼓勵(lì)客戶在原有的板子上更換新BOM表的電容配置，然后加載程序后再次進(jìn)行測(cè)試！
% _& b4 Q% l! O* r1 n! n6 W: a
客戶于是滿懷忐忑的心情按照高速先生的建議去做了，結(jié)果卻讓他們有了驚喜，紋波測(cè)試結(jié)果有了明顯的改善，從之前的56mV減小到了43mV，紋波基本滿足了5%的波動(dòng)要求。

- }2 a0 M& m" v' F, D/ f簡(jiǎn)單總結(jié)下本文章的核心內(nèi)容哈，那就是在電容的位置不能改變，布局布線也不能變化的情況下，最重要的是在無需重新設(shè)計(jì)和投板的前提下，我們僅僅通過PDN阻抗仿真優(yōu)化來調(diào)整電容的配置來達(dá)到減小噪聲、滿足紋波測(cè)試標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)，為客戶節(jié)省了大量的成本和研發(fā)時(shí)間。

3 F6 f$ J9 E9 G$ h6 g: P$ e

' }; B5 Q) B& Y* v9 W1 Y( r. g

' _' s4 T  s: x: V
4 \6 o9 G7 E2 C" Y7 V
( ?7 x# @" M4 A, r1 x

6 U, m% c7 R, n9 V9 P
( t2 ~$ Y) N" H1 u$ z7 S+ {
% q) N( u6 ~6 C  N5 ^  c- ]/ A
! r& r, ]7 r. |- o6 X




7 @; Y$ [" k0 A

" S. h2 h9 ~- p6 N' d



9 M* u6 M) {; E& h" F

: A/ s2 x& I' C5 t


: }' c" b" U8 }& v