ARM11核心板電源完整性探討范文

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《電子器件雜志》2014年第三期

1電源完整性仿真參數(shù)的分析

1．1直流參數(shù)在PCB設(shè)計中，由于平面層的分割，不理想的電流路徑和各種過孔、信號線的分布，PDN的直流特性將受到影響，表現(xiàn)為PDN的輸入電阻以及電流密度增大，而輸入電阻過大將導(dǎo)致電源平面電壓的降低，所以對電源平面直流電壓分布的仿真有利于改善PDN的輸入電阻;而電流密度過大一方面會增加PDN輸入電阻上的壓降，另一方面會降低元件壽命，所以對電源平面直流電流分布的仿真也有利于改善PDN的直流特性。

1．2交流參數(shù)地層和相鄰的電源層形成波導(dǎo)結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)會產(chǎn)生諧振模式，在諧振模式處電源平面電壓將發(fā)生較大波動，通過在電壓波動最大的地方放置合適的去耦電容，可以消除該諧振模式，所以對電源平面諧振分布的仿真有利于改善PDN的交流特性。而目標(biāo)阻抗法是PDN的典型設(shè)計方法，當(dāng)PDN的輸入阻抗小于目標(biāo)阻抗時，電壓波動就會小于電源噪聲容限，所以對PDN的輸入阻抗進(jìn)行仿真，通過減小PDN的輸入阻抗也可以改善PDN的交流特性。

2電源完整性仿真分析

2．1仿真軟件介紹AnsoftSIwave采用全波有限元算法，對于信號完整性和電源完整性分析，SIwave可以準(zhǔn)確分析從直流到10GHz帶寬的電氣參數(shù)。通過全波電磁算法直接抽取走線和電源網(wǎng)絡(luò)的變頻電氣參數(shù)，可以容易定位SI、PI和EMI的問題所在。

2．2直流參數(shù)仿真分析(1)進(jìn)行直流電壓分布的仿真，調(diào)整前電源平面直流電壓分布如圖4所示，發(fā)現(xiàn)1．2V電源平面電壓偏低，需要調(diào)整布局布線，即通過減小布線的長度、加粗布線的寬度、增加到電源平面的路徑等措施降低1．2VPDN的輸入電阻，調(diào)整后電源平面直流電壓分布如圖5所示，調(diào)整前后直流電壓分布的仿真結(jié)果如表1所示，可見1．2V電源平面直流電壓分布得到改善。(2)進(jìn)行直流電流分布的仿真，調(diào)整前電源平面直流電流分布如圖6所示，橙色部分電流密度偏大，需要調(diào)整布局布線，即通過敷銅增加和分散VRM到電源平面的過孔，使注入電流平均分?jǐn)偟诫娫雌矫嫔希部蓪㈦娏髅芗瘏^(qū)的過孔移至電流稀疏區(qū)以增加載流截面積，調(diào)整后電源平面直流電流分布如圖7所示，調(diào)整前后直流電流分布的仿真結(jié)果如表2所示。

2．3交流參數(shù)仿真分析(1)進(jìn)行諧振分布的仿真，發(fā)現(xiàn)電源地平面之間存在398．6MHz的諧振模式，對應(yīng)的諧振分布如圖8所示，圖中上半?yún)^(qū)域為3．3V電源平面，處于諧振的波峰位置，如果諧振被激發(fā)，將會影響CPU的正常工作，需要設(shè)計低阻抗的PDN去耦網(wǎng)絡(luò)來消除這個諧振模式。(2)進(jìn)行PDN的輸入阻抗仿真，CPU的3．3V引腳允許的電壓波動為0．3V，CPU最大工作電流約為1A，計算得到3．3VPDN的目標(biāo)阻抗為0．6Ω，CPU最大工作頻率為667MHz，所以3．3VPDN的輸入阻抗在667MHz內(nèi)應(yīng)小于0．6Ω，3．3VPDN的輸入阻抗如圖10所示。圖10中上面曲線為調(diào)整前3．3VPDN的Z參數(shù)曲線，在165．8MHz開始輸入阻抗大于0．6Ω，極大點(diǎn)397MHz、467．3MHz為3．3VPDN的諧振頻率，放置相應(yīng)諧振頻率的電容以降低3．3VPDN的輸入阻抗，選取電容如下:0．33nF、0．39nF、0．82nF、1．8nF、3．9nF、1μF，圖10中下面曲線為調(diào)整后3．3VPDN的Z參數(shù)曲線，在929．6MHz內(nèi)輸入阻抗都小于0．6Ω。3．3VPDN的輸入阻抗?jié)M足要求，且不存在諧振頻率，如表3所示。放置電容后電源平面諧振分布如圖9所示，整個電源平面的電壓波動已符合要求。

3結(jié)束語

在高速電路設(shè)計中SSN對電源完整性影響很大，必須采取有效措施減弱SSN對芯片電源電壓和信號線電壓帶來的影響。對于arm11核心板，通過減小布線的長度、加粗布線的寬度、增加到電源平面的路徑等措施，電源平面直流電壓分布得到改善;通過敷銅增加和分散VRM到電源平面的過孔，以及將電流密集區(qū)的過孔移至電流稀疏區(qū)以增加載流截面積，電源平面的直流電流分布得到改善;運(yùn)用目標(biāo)阻抗法，在電壓波動最大的地方放置合適的去耦電容，削弱了電源地平面之間的諧振，使得整個電源平面的電壓波動符合要求。文章的不足之處是沒有深入研究去耦電容的選取方法，在今后的學(xué)習(xí)工作中仍需繼續(xù)探究。

作者：沈敏吳明贊李竹單位：南京理工大學(xué)自動化學(xué)院