Моделирование и анализ полного сопротивления сети подачи питания в SPICE<br /><br /><br />

Поведение высокоскоростного сигнала, распространение радиочастотного сигнала и моделирование сети подачи питания относятся к наиболее сложным аспектам моделирования при проектировании печатных плат. Среди этих электромагнитных явлений распространение высокоскоростных и радиочастотных сигналов требует применения решателей электромагнитного поля для получения качественных результатов. Существует огромное количество паразитных явлений и факторов, присущих конкретному проектному решению, которые требуется учесть при моделировании схемы. Как бы мы ни старались, в этих двух ситуациях моделирования присутствует слишком много информации.

Моделирование сетей подачи питания немного отличается, поскольку для них моделируемый диапазон частот ниже и, как правило, для большинства устройств составляет менее 10 ГГц. Это означает, что сеть подачи питания, поддерживающая цифровые компоненты, работающие с невысокой скоростью, на относительно компактной плате, может быть смоделирована с помощью SPICE, а не полного моделирования с применением решателя электромагнитного поля. Если плата достаточно компактная или частоты достаточно низкие, чтобы можно было игнорировать распространение, качественные результаты можно получить с помощью SPICE.

Если вы никогда раньше этого не делали, я покажу, как задать настройки, и каких результатов можно ожидать. Имитируя операцию переключения в компоненте нагрузки, подключенном к сети подачи питания, можно получить ценные данные, характеризующие сеть подачи питания, и даже рассчитать ее сетевые параметры. В примерах, приведенных ниже, цель состоит в том, чтобы получить следующие данные:

• Спектр значений полного сопротивления сети подачи питания
• Переходный отклик, измеряемый на входном контакте компонента нагрузки
• Изменение этих параметров при изменении емкостного сопротивления

Важно ограничиться рассмотрением сравнительно низкоскоростных и компактных плат; ниже я подробнее расскажу о том, какой это имеет смысл.

Настройка моделирования сети подачи питания

Стандартное моделирование для описания полного сопротивления сети подачи питания и вычисления переходного отклика схематически проиллюстрировано ниже. Я поместил эту модель в Altium 365 Viewer, чтобы пользователи могли изучить проектное решение и увидеть, как настраивается модель.

Модель построена с использованием набора разделительных конденсаторов, которые не выбирались в определенном порядке. Сначала используется небольшое количество, но позже в процессе моделирования я его увеличу, чтобы показать, как рост емкостного сопротивления влияет на результаты. Также мы будем настраивать другие параметры.

Модель эквивалентной цепи

Эта схема настроена с использованием компонентов библиотеки Simulation Generic Components, встроенной в Altium Designer. Если вы не используете Altium Designer, вы можете воссоздать это решение в любой другой программе моделирования, используя стандартные компоненты пакета SPICE или другого редактора схем. Как я показал на схеме, имитационная модель состоит из четырех разделов.

• Регулятор. Это модуль или схема регулятора напряжения, подающего питание в сеть подачи питания. Я указал его номинальное выходное сопротивление и реактивное сопротивление.
• Разделительные конденсаторы. Это секция разделительных конденсаторов. Эквивалентная последовательная индуктивность (ESL) и эквивалентное последовательное сопротивление (ESR) конденсаторов включены в модель как дискретные компоненты для наглядности. Эти значения также можно определить как параметры компонентов на панели свойств.
• Плоскость. В этом разделе определяются емкостное и реактивное сопротивление, а также сопротивление пары плоскостей «питание/заземление». Реактивное сопротивление в этом разделе — это индуктивное сопротивление распространения, которое я описал в другой статье.
• PWR_IN. Это секция питания на входе ИС нагрузки. Я попытался смоделировать входной сигнал через реактивное сопротивление, реактивное сопротивление блока контактов и контактное сопротивление на входе. Они зависят от конкретного компонента и пакета; здесь приведены значения, отражающие типовой порядок величин.

На этой эквивалентной модели схемы требуется задать настройки емкостного сопротивления плоскости (CP1), реактивного сопротивления плоскости (LP1) и количество разделительных конденсаторов. Чтобы получить эти данные, мы используем анализ переходных процессов и моделирование развертки переменного тока. Перед этим мы должны обсудить компонент NMOS, показанный выше.

Моделирование нагрузки

Раздел PWR_IN включает модель нагрузки, а именно переключающий n-канальный МОП-транзистор (MOSFET). Цель моделирования нагрузки и анализа влияния переходного отклика на сеть подачи питания состоит в изучении того, как сеть подачи питания реагирует на операцию переключения, которая затем потребляет ток. Использование быстродействующих МОП-транзисторов — один из способов изучения того, как ток нагрузки внезапно переходит в сильноточное состояние на основе логического входа. Логический вход моделируется с помощью элемента VSRC, установленного в импульсный режим на панели свойств. Я задал периоды нарастания и спада 1 нс. Это не сверхвысокий диапазон частот, хотя полоса 1/(период нарастания) составляет 500 МГц, и на сигнал может повлиять некачественное разделение на плоскостях и больших конденсаторах.

Другой способ состоит в том, чтобы перевести источник тока в импульсный режим. Это эффективно решит ту же задачу переключения нагрузки между состояниями с низким и высоким током. Затем модель будет считывать результирующий ток и напряжение, отбираемые на МОП-транзисторе. Более точные результаты дало бы размещение буферной схемы CMOS (комплементарной МОП-структуры) для моделирования ввода/вывода, но этот вариант лучше подходит, например, для анализа дрожания или вибрации заземления, поэтому мы отложим его на потом. Сейчас мы рассмотрим приведенную выше модель, чтобы изучить, что происходит, когда логические схемы переключаются между состояниями и потребляют ток через сеть подачи питания.

Результаты

Сначала рассмотрим результаты для вышеописанного варианта — 9 параллельно включенных разделительных конденсаторов с разными характеристиками. Все они имеют примерно одинаковые значения ESL и умеренный уровень ESR. Значение ESR играет здесь важную роль, поскольку помогает сгладить спектр величин полного сопротивления в сети подачи питания. Я описал это в другой статье о полном сопротивлении сетей подачи питания. Параметры моделирования следующие:

• Анализ переходных процессов: шаг 10 нс, суммарное время модели 5–10 мкс
• Развертка переменного тока: максимальная частота 10 ГГц, вычисление |Z| для сети подачи питания
• Количество разделительных конденсаторов: рассмотрим вышеупомянутый блок из 9 конденсаторов и четырехкратный блок из 36 конденсаторов.
• Емкостное сопротивление плоскости: состояние с низким уровнем (CP1 = 20 пФ) и состояние с высоким уровнем (CP1 = 1 нФ)
• Напряжение на сердечнике: VDD = 1,8 В

9 конденсаторов, емкостное сопротивление плоскости 20 пФ

При наличии всего 9 разделительных конденсаторов и емкостного сопротивления плоскости 20 пФ можно наблюдать очень значительные колебания переходной характеристики. Они достигают ~ 300 мВ по амплитуде, наложенной на желаемое напряжение на сердечнике 1,8 В. Это неприемлемо большая величина для любого практического применения, которая будет приводить к сильным помехам на выходе. Приведенные здесь данные извлечены из файла .sdf и экспортированы в формат Excel.

36 конденсаторов, емкостное сопротивление плоскости 1 нФ

Посмотрим, что произойдет, если в четыре раза увеличить количество разделительных конденсаторов и повысить емкостное сопротивления плоскости в 50 раз. Новая улучшенная версия этого проектного решения показана ниже. Блок разделительных конденсаторов практически полностью копируется для увеличения эквивалентного емкостного сопротивления этой разделительной сети.

Результаты очевидно показывают преимущество наличия пар плоскостей «питание/заземление» и большего количества разделительных конденсаторов. По мере роста емкостного сопротивления амплитуда переходной характеристики, как и следовало ожидать, в целом уменьшается. Когда количество конденсаторов увеличивается в четыре раза и повышается емкостное сопротивление плоскости, отклик шины питания на сигнал сети подачи питания колеблется с амплитудой всего 100 мВ.

Это довольно много для шины 1,8 В, и может показаться, что использование 36 конденсаторов должно дать лучший результат. То, почему не достигается значительное демпфирование при большем количестве конденсаторов, можно понять, изучив спектры полного сопротивления в каждом варианте.

Сравнение значений полного сопротивления

Полное сопротивление сети подачи питания также можно получить, взяв отношение комплексных вольт-амперных функций отклика в частотной области (результаты развертки переменного тока) и вычислив порядок этого отношения. Мы видим, что полное сопротивление сети подачи питания все еще довольно высокое, особенно рядом с пределом полосы 1/(период нарастания). Также мы видим преимущества, глядя на показанный ниже спектр значений полного сопротивления сети подачи питания. На приведенном ниже графике этот вариант (36 разделительных конденсаторов/1 нФ) сравнивается с предыдущим (9 разделительных конденсаторов/20 пФ).

Обратите внимание на то, что низкое полное сопротивление (100 мОм) присутствует только в течение примерно 1 декады. Хотелось бы, чтобы эта полоса низкого полного сопротивления была ниже и шире. Также присутствуют несколько пиков в области 3 МГц и высокий частотный отклик при 630 МГц. Для решения этих проблем может понадобиться большее количество конденсаторов с различными характеристиками. Можно использовать и другие приемы, например увеличить количество сквозных отверстий при переходе слоев в ИС, что уменьшит суммарное реактивное сопротивление на входном каскаде PWR_IN. Это можно отразить при моделировании в SPICE.

На практике 36 конденсаторов с низким ESL и низким ESR часто применяют в ИС с большим количеством входов/выходов и, конечно же, в ИС, которые будут потреблять 720 мА в одном импульсе. Фактически, в шаблонных проектных решениях и экспериментальных продуктах, в которых используются высокоскоростные компоненты с большим количеством входов/выходов нечасто применяют 36 разделительных конденсаторов. Отмечу, что dI/dt этого импульса составляет 720 МА/сек (т. е. 720 мегаампер в секунду!). Это огромная величина, требующая сверхбыстрой разрядки большого количества конденсаторов. Материалы, обладающие емкостным сопротивлением, внедренные в этот тонкий разделительный диэлектрик между плоскостями, также повысят емкостное сопротивление плоскости.

Зачем нужны «компактные» платы?

Какую сеть подачи питания можно называть «компактной»? Помните, что при переключении нагрузки в сеть подачи питания втягивается широкополосный импульс тока, перемещающийся по этой сети со скоростью света. Его можно рассматривать как распространяющийся сигнал, но передающий энергию, а не данные. В пределах компактной сети подачи питания можно игнорировать эффекты распространения так же, как и на линии передачи. Сравнение с линиями передачи здесь вполне уместно, и сети подачи питания иногда описывают с помощью той же модели цепи со сосредоточенными параметрами, которая используется для линий передачи.

Если длина волны с наибольшим частотным компонентом в передаваемом импульсе мощности намного превышает номинальный размер платы, можно игнорировать тот факт, что передаваемая мощность должна распространяться от выхода регулятора ко входу нагрузки. Эта же логика применяется для понимания того, почему мы можем определить критическую длину в линии передачи. Как только конструкция становится слишком большой или полоса пропускания достигает очень высоких частот, для моделирования полного сопротивления сети подачи питания и извлечения переходной характеристики потребуются решатели электромагнитного поля.

Чего не хватает?

Проницательный инженер-конструктор должен заметить кое-что важное: мы не включили рассеивание в емкостное сопротивление плоскости! Оно относится к реактивной части диэлектрической проницаемости, которая моделируется путем добавления последовательного сопротивления с емкостным сопротивлением плоскости. В принципе, оно играет ту же роль, что и G в уравнении полного сопротивления для линии передачи. Чтобы определить размер этого сопротивления, нужны дополнительные вычисления, которые зависят от величины потерь в диэлектрическом материале, отделяющем плоский слой. В следующей статье о резонансах на плоскости питания мы рассмотрим благоприятное влияние высокого тангенса угла потерь в ламинате.

Что еще можно смоделировать?

Приведенные выше результаты наглядно показывают, как добавление емкостного сопротивления уменьшает полное сопротивление сети подачи питания и помогает стабилизировать напряжение на сердечнике. Конденсаторы были выбраны более-менее случайным образом, без тщательного анализа для конкретных частотных диапазонов. Мы могли бы получить более качественные результаты, если бы выполнили те же действия и добились снижения полного сопротивления сети подачи питания на более широкой полосе пропускания.

Другие аспекты, которые мы могли бы смоделировать в SPICE:

• S-параметры для сети подачи питания путем расчета полного сопротивления на входном и выходном портах, что мы уже сделали
• Импульсные отклики для любого импульса тока, вытягиваемого в сеть подачи питания
• Величины переходного полного сопротивления между несколькими шинами в сети подачи питания
• Влияние дополнительного реактивного сопротивления, в частности добавление феррита к контакту питания, будет рассмотрено в следующей статье
• Добавление обходного конденсатора непосредственно к входу питания на нагрузке (параллельно с Q1)

Встроенный пакет SPICE в Altium Designer® помогает построить имитационные модели, включая моделирование сети подачи питания. Когда вы будете готовы предоставить проектные файлы коллегам для построения более сложных моделей, платформа Altium 365™ упростит совместную работу и обмен проектами. Все, что необходимо для проектирования и производства передовой электроники, можно найти в одном программном пакете.
Мы лишь поверхностно рассмотрели некоторые возможности Altium Designer на Altium 365. Запустите бесплатную пробную версию Altium Designer + Altium 365 уже сегодня.