Анализ и моделирование импеданса сети питания: от схемы к размещению

Целостность питания влияет на многие аспекты производительности печатных плат, и обеспечение целостности питания в цифровом дизайне начинается с обеспечения того, чтобы компоновка печатной платы имела низкое сопротивление сети питания (PDN). Существует несколько основных аспектов сопротивления PDN и некоторые базовые шаги проектирования, которые помогают дизайнеру достичь относительно низкого сопротивления PDN на печатной плате. Без низкого сопротивления скачки напряжения могут вызвать некорректную работу компонентов на плате из-за больших колебаний напряжения на шине питания, которые затем могут распространяться на сигналы и проявляться как джиттер на переднем или заднем фронте сигнала.

Анализ PDN проводится в двух режимах: временной и частотной области. Если вы можете построить довольно точные модели для сопротивления PDN, то затем можно сравнить переходные процессы в PDN с пределами колебаний мощности в современных компонентах. Анализ PDN также проводится в частотной области, что позволит дизайнеру определить поддерживаемые полосы пропускания сигналов и уровни мощности в цифровой или аналоговой системе.

Почему проводить анализ сопротивления PDN?

Цель проектирования сети питания в PDN заключается в том, чтобы обеспечить доставку постоянного и/или переменного тока туда, где он необходим. Регуляторы мощности имеют выход с низким импедансом, поэтому мы хотим создать путь с низким импедансом, который может обеспечить питание нагрузочных компонентов на PDN, когда это необходимо. Способ доставки и рассеивания мощности зависит от того, рассматриваем ли мы системы постоянного или переменного тока. Системы с высокой скоростью передачи цифровых данных и аналоговые системы будут иметь оба компонента в некоторых областях системы, поэтому нам нужно учитывать целостность питания с обеих сторон.

Анализ PDN постоянного тока

В системах постоянного тока с резистивными компонентами доставка мощности является относительно простой концепцией; мощность рассеивается на нагрузке в зависимости от сопротивления нагрузки. По этой причине анализ PDN постоянного тока, как правило, учитывает только резистивные потери мощности (падение IR) по всем проводникам, ведущим к нагрузкам на печатной плате. Это требует некоторых расчетов плотности тока в плоскостях и шинах питания, используемых для распределения мощности, которые затем могут быть визуализированы в виде цветовой карты на раскладке печатной платы.

Анализ DC PDN часто игнорируется при проектировании цифровых систем. Тем не менее, он по-прежнему важен, поскольку современные цифровые системы, поддерживающие большие ИС с множеством высокоскоростных входов/выходов (например, FPGA), могут потребовать мгновенного скачка тока в любой момент. Для обеспечения бесшумного питания цифровые системы полагаются на анализ целостности питания переменного тока.

Анализ AC PDN

Подача переменного тока является более сложной и подвержена проблемам с шумом. В прошлом, при использовании компонентов TTL, работающих на высоких напряжениях ядра (5 В логика насыщения), можно было игнорировать многие проблемы целостности питания, поскольку запасы по шуму в логических схемах этих компонентов были очень большими. Сегодняшние цифровые компоненты обычно работают на напряжениях ядра 3V3 или ниже с меньшими запасами по шуму и большим количеством входов/выходов. 

Короче говоря, импеданс AC PDN повлияет на следующие аспекты ваших схем:

• Шум шины питания. Пульсации напряжения PDN создаются переходными токами на вашей печатной плате, которые взаимодействуют с высоким реактивным импедансом на определенных частотах. Обратите внимание, что, поскольку импеданс вашего PDN является функцией частоты, пульсации напряжения, вызванные коммутацией, также будут функцией частоты. Обратите внимание, что эти переходные процессы возникают независимо от уровня шума коммутации на выходе вашего регулятора напряжения.

• Демпфирование шума в линии питания. Величина сопротивления и потерь в диэлектрическом ламинате определяет, будет ли пульсация на шине питания проявляться как звон (т.е. недостаточно затухающие колебания) или будет перезатухшей. Это одна из проблем, которая может возникнуть, если ваш развязывающий конденсатор подобран неправильно или если вы не учитываете собственную резонансную частоту вашего развязывающего конденсатора в вашей сети развязки.

• Требуемый уровень развязки. Большинство конденсаторов могут быть недостаточными для обеспечения развязки в печатных платах с быстрой логикой из-за их относительно низких собственных резонансных частот (~100 МГц до ~1 ГГц). Поэтому конструкторы используют конденсаторы малого размера/высокой диэлектрической проницаемости (например, 0201 MLCC) и межплоскостную емкость для обеспечения достаточной развязки.

• Текущий путь возврата. Ваш ток возврата будет следовать по пути наименьшего сопротивления (для постоянного тока) или наименьшей реактивности (для переменного тока). Импеданс в вашей сети заземления будет варьироваться в пространстве, что частично зависит от паразитной связи между сигнальными дорожками и PDN. Для создания наиболее плотного контура возврата тока в PDN лучше всего использовать плоскости, чтобы обеспечить минимальное распространение индуктивности и максимальную ёмкость плоскостей по всему PDN.

• Джиттер времени. Поскольку сигналы имеют конечное время распространения, всплеск тока, извлекаемый из развязывающих конденсаторов и регулятора, займет некоторое время, чтобы достичь коммутирующего компонента. Когда всплеск переходного тока распространяется к входам/выходам, переходное колебание будет мешать выходному сигналу, фактически создавая некоторый джиттер во времени нарастания вашего сигнала. В общем, джиттер времени из-за шума питающей шины увеличивается с интенсивностью шума и длиной между регулятором и компонентом. На больших платах джиттер RMS может достигать порядка наносекунд.

Эти проблемы можно уменьшить, используя для маршрутизации питания слои плоскостей, располагая плоскости питания и земли рядом друг с другом в стеке печатной платы и используя несколько плоскостей параллельно. Предпочтительны ламинаты с высоким Dk и потерями между слоями плоскостей, такие как материалы с встроенной емкостью. Когда включены пары плоскостей, важно понимать, как моделировать и симулировать эффекты плоскостей и сетей развязки на целостность питания и общее сопротивление PDN.

Модели схем для анализа сопротивления PDN

Вы можете моделировать спектр импеданса вашей PDN и ее переходную характеристику непосредственно из вашей схемы, если учесть паразитные элементы в вашей PDN. В приведенной ниже модели вы заметите несколько элементов схемы, но эта модель содержит только два реальных компонента. Первый - это ваш источник питания/регулятор, который имеет некоторое заданное выходное сопротивление Z(out) и обычно является последовательностью RL. Второй - развязывающий конденсатор, который имеет идеальную емкость Cc1. Оставшиеся элементы схемы являются паразитными. Значения Rs и Ls предназначены для моделирования собственного сопротивления проводника и паразитной индуктивности плоскости питания соответственно. Элементы Rp, Lp и Cp учитывают паразитную связь между плоскостями питания и земли (т.е. межплоскостную емкость).

Элемент Lp в плоскости может быть устранен или значительно уменьшен путем прокладки множества виас питания/заземления в пару плоскостей. Это фактически то, что делается для обеспечения подключений питания и заземления к компонентам с большим количеством контактов, таким как большие BGA, которые обеспечивают множество высокоскоростных сигналов. Поэтому многие модели импеданса PDN в SPICE игнорируют этот элемент.

Паразитные элементы кристалла и корпуса

Надеемся, что внимательный конструктор заметил, что в вышеупомянутом анализе не учитывались вклады от импеданса корпуса и кристалла, поскольку они встроены в нагрузку в PDN. Их также необходимо учитывать в PDN, поскольку они содержат емкостные и индуктивные паразитные элементы.

В симуляции PDN, например в SPICE, мы обычно игнорируем паразитные элементы корпуса, потому что нас интересует только напряжение, которое достигает конца каждой шины в PDN. Если мы хотим начать связывать напряжение шины PDN с поведением выхода, тогда нам нужна модель для паразитных элементов корпуса и фактических логических схем, которым требуется питание. Для конструктора печатных плат недостаточная емкость кристалла преодолевается с помощью обходного конденсатора между контактами PWR и GND на корпусе. Емкость можно выбрать, сначала рассмотрев частоты любых полюсов в PDN и нацелившись на них с помощью конденсаторов с соответствующей резонансной частотой серии (SRF).

Цели анализа

Прежде чем анализировать эту модель, вам необходимо определить или оценить значения различных элементов вашей модели. Значения развязывающих конденсаторов легко найти; получите их из технического описания для вашего желаемого конденсатора. Оценить межплоскостную емкость также несложно; просто используйте диэлектрическую проницаемость вашего подложки, площадь перекрывающихся земляных/питающих плоскостей и расстояние между ними в вашей стопке, и вы узнаете межплоскостную емкость Cp. Оставшиеся значения R можно рассчитать, используя предполагаемые размеры ваших дорожек. Значения L необходимо оценить исходя из приблизительной индуктивности петли для каждой части схемы; эти значения обычно находятся в диапазоне от pH до нескольких nH.

Ваша цель при анализе этой модели двояка:

1. Определить импеданс между + и - выводами на правой стороне как функцию частоты. Это можно сделать с помощью простого сканирования по частоте.

2. Убедиться, что импеданс PDN меньше вашего целевого импеданса. Один из простых способов расчета целевого импеданса использует ток, который переключающая ИС будет протекать в PDN, и допустимое колебание напряжения:

3. Изучите поведение переходных процессов, добавив источник тока параллельно выходу источника питания (поместите положительный вывод перед Z(out)). Установите источник тока так, чтобы он обеспечивал импульс в виде дельта-функции с общим зарядом Q, показанным в уравнении ниже, или чтобы он обеспечивал ступенчатый ток. Это позволит вам определить общую необходимую емкость для обеспечения всплеска тока к коммутируемому ИС.

4. Убедитесь, что наименьшая частота структурного резонанса больше, чем требуемая полоса пропускания для ваших коммутируемых ИС. Идея состоит в том, чтобы минимизировать пульсации и ЭМП на как можно более широкой частотной полосе.

Обратите внимание, что пункт №3 предназначен для моделирования переходного отклика из-за коммутации ИС вниз по потоку. Если у вас есть 10 ИС, которые будут коммутироваться одновременно, и все они потребляют одинаковый переходной ток от PDN, то величина вашего импульса будет в 10 раз больше, и ваша целевая импедансность должна быть в 10 раз меньше для данного напряжения пульсаций. После изучения этих трех пунктов вы можете перейти к интерпретации ваших результатов и определить, какие шаги по проектированию вы можете предпринять для подавления колебаний питания в вашей PDN.

Как интерпретировать результаты анализа импеданса вашей PDN

Симуляции SPICE на схематическом уровне являются первым шагом в анализе эффективности сети распределения питания (PDN) на печатной плате (PCB). Должны быть извлечены и проанализированы различные данные в каждой области; пункты №1-№3 выше могут быть рассмотрены как на схематическом уровне, так и на уровне размещения компонентов на печатной плате, но пункт №4 может быть точно определен только на уровне размещения компонентов на печатной плате.

Результаты SPICE из моделей схем

Что касается пунктов №1 и №2 выше, вы можете использовать SPICE для проверки того, что импеданс PDN меньше целевого импеданса на всех частотах до некоторой максимальной полосы пропускания (для цифровых сигналов) или в пределах соответствующего диапазона частот, который вы будете использовать (для аналоговых сигналов). Если это так, и вы рассчитали ваш импеданс исходя из случая, когда все входы/выходы переключаются одновременно, то ваша сеть распределения питания имеет больше шансов работать как предполагалось без каких-либо проблем с целостностью сигнала.

Пункт №3 можно исследовать, симулируя переходную характеристику в вашей PDN. Конкретные пики в спектре импеданса являются полюсами в системе LTI, и они проявятся как недостаточно затухающие колебания в результатах переходного анализа. Если переходная характеристика недостаточно затухает, тогда вам нужно привести это колебание к критически затухающему/перезатухающему режиму, или вам нужно установить эти полюса на низкий импеданс с помощью конденсатора с определенным значением. Это требует использования более крупного разделительного конденсатора или использования конденсатора с меньшим эффективным последовательным индуктивным сопротивлением. Ваш разделительный конденсатор должен быть подобран так, чтобы обеспечить импульсный заряд, указанный выше, но вы определенно можете попробовать использовать более крупный разделительный конденсатор, чтобы изменить условия для наименьшего резонанса PDN так, чтобы переходная характеристика была перезатухающей или незаметно малой.

Помимо упомянутых выше проблем с размерами развязывающих конденсаторов и их собственной резонансной частотой, результаты из пункта №3 должны показать, почему межплоскостная емкость указана как требование для надлежащего развязывания ИС с логикой 1 нс или быстрее. Помимо использования очень больших развязывающих конденсаторов с очень высокими собственными резонансными частотами (такие доступны на рынке), размещение земляных и питающих слоев на соседних уровнях исторически было практически единственным способом обеспечить требуемый уровень развязки в PDN. Заметьте, что независимо от того, увеличиваете ли вы межплоскостную емкость или емкость развязки с помощью использования нескольких конденсаторов, достаточное увеличение этой емкости приведет к переходу переходного процесса в переглушенный режим, фактически устраняя его.

Результаты после размещения

Пункт №4 должен быть рассмотрен с точки зрения компоновки печатной платы, поскольку он зависит от распространения волн. Расположение слоев в PDN может действовать как большая патч-антенна, которая становится источником ЭМИ при подаче импульсных токов. Коммутационные действия в PDN могут возбуждать резонансы, приводя к сильному излучению с краев платы. Это требует, как минимум, использования 2D решателя в частотной области для моделирования распространения волн внутри внутренних слоев печатной платы и последующего ближнего или дальнего поля излучения.

Когда обнаруживается, что определенные области PDN сильно резонируют, это указывает на то, что импеданс PDN в этой области может быть очень высоким. Следовательно, вы захотите уменьшить импеданс в этой области, либо добавив больше емкости, либо выявив и исправив некоторые элементы с высоким импедансом в компоновке печатной платы. Это может быть так же просто, как устранение разрыва возвратного пути в PDN.

С помощью мощных инструментов проектирования и анализа печатных плат в Altium Designer^® вы можете анализировать все аспекты ваших схем и компоновки, а также выявлять проблемы целостности сигналов, которые могут возникнуть в сложных печатных платах. Эти инструменты построены на основе единой движущей силы правил проектирования, позволяя вам выполнять важные DRC на протяжении всего процесса проектирования. Вы также получите доступ к полному набору функций планирования производства и документации на единой платформе. Когда вы будете готовы отправить свой проект коллеге или производителю, используйте платформу Altium 365 для обмена файлами проекта и поддержания продуктивности.

Мы только коснулись поверхности возможностей Altium Designer на Altium 365. Начните свою бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 сегодня.