高速PCB电源完整性设计与分析

高速PCB电源完整性设计与分析DesignandAnalysisofPowerIntegrityinHighSpeedPCB内蒙古大学电子信息工程学院自动化系内蒙古大学电子信息工程学院自动化系内蒙古大学电子信息工程学院自动化系内蒙古大学电子信息工程学院自动化系研究生：苏良碧指导教师：周润景教授专业：控制工程研究方向：信号处理与智能系统学院：电子信息工程学院论文结构1.研究背景及意义2.电源分配网络的构成3.频域目标阻抗法4.电源完整性分析建模5.电源完整性仿真与分析6.结论7.参考文献8.致谢1.研究背景及意义芯片外部样式芯片内部结构晶体管图1.1芯片的组成结构1.研究背景及意义1.集成度提高，晶体管增加2.功率提高,消耗电流增加3.频率增加,快速翻转器件所产生的纹波噪声1.目标阻抗降低2.更低的偏置电压图1.2摩尔定律1.研究背景及意义图1.3芯片的电源噪声电压调节模块电源平面过孔电源引线电源波动1.研究背景及意义图1.4地弹噪声对驱动端信号的影响1.研究背景及意义图1.5地弹噪声对接收端信号的影响图1.6地、电源反弹噪声对触发器的影响2.电源分配网络Ref负载电压调节模块PCB电源平面封装电源平面LPF电解电容陶瓷电容封装电容片上电容+-图2.1芯片的组成结构2.电源分配网络负载芯片电源I0CIcAB++++------图2.2电容的去耦原理Fig.2.2Principleofcapacitancedecoupling负载电流稳定时负载电流发生变化时2.电源分配网络电源I0CIcAB++++------图2.3电源系统的阻抗Fig.2.3Impedanceofpowersystem电源ABZ图2.4电源系统的等效电路Fig.2.4EquivalentcircuitofpowersystemIZV∆=∆3.频域目标阻抗法图3.1频域目标阻抗法Fig.3.1FrequencyDomainTargetImpedanceMethodmaxargIRippleVZCCett∆×=4.电源完整性分析建模DC负载slewLflatRoutLoutR图4.1开关电源模块简化模型Fig.4.1Simplifiedpowersupplymodel图4.2电压调节模块阻抗曲线图Fig.4.2VRMImpedanceCurve4.电源完整性分析建模图4.3电源平面分割Fig.4.3Subdivisionofpowerplane4.电源完整性分析建模C图4.4理想电容模型Fig.4.4Modelofidealcapacitor图4.5理想电容的频域阻抗特性Fig.4.5Frequency-domainimpedancecharacteristicsofidealcapacitance4.电源完整性分析建模SRSLCpRdaRdaC图4.6实际电容模型Fig.4.6ModelofactualcapacitorSRSLC图4.7简化的电容模型Fig.4.7Simplifiedcapacitormodel图4.8电容的频域阻抗特性Fig.4.8Frequency-domainimpedancecharacteristicsofcapacitor4.电源完整性分析建模图4.9电容器的自谐振频率Fig.4.9Self-resonancefrequencyofcapacitor5.电源完整性仿真与分析CycloneIIEP2C35F672C5最高频率：250MHzCypressSSRAM最高频率：167MHzMicronDDRSDRAM最高频率：167MHzLM26783.3V图5.1CycloneIINiosII开发板5.电源完整性仿真与分析Top电源层：3.3V信号层信号层电源层：GND信号层信号层/电源层：Vcc1.2V、Vcc5V、VccL2_PLL等电源层：GND信号层电源层：GND信号层电源层：2.5V信号层FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4FR-4Pwr_Layer2Inner1_Layer3Gnd_Layer4Inner2_Layer5Inner/Pwr_Layer6GND_Layer7Inner3_Layer8GND_Layer9Inner4_Layer10Pwr_Layer11Bottom电源平面对电源平面对电源平面对图5.2叠层关系Fig.5.2Relationshipofstackup5.电源完整性仿真与分析开始设置数据库定义目标阻抗选择去耦电容器单节点分析单节点分析结果是否满足目标阻抗？电容器优化布局多节点分析结果是否满足目标阻抗？多节点分析结束YesNoYesNo图5.3AllegroPCBPI电源完整性分析流程Fig.5.3AllegroPCBPIpowerintegrityanalysisprocess开始布局阶段设计阶段验证阶段结束5.电源完整性仿真与分析1.选择将要分析的平面对，首先选择CycloneIINios开发板的VCC3.3V与GND平面对进行分析2.确定噪声容限，通过查阅LM2678的芯片数据手册，输出电压的波动范围为3.234V-3.366V，则波动容限为0.066/3.3=2%3.确定最大动态电流，通过查阅LM2678的芯片数据手册，确定VCC3.3V电源平面的最大电流为5A，则最大动态电流为0.5×5A=2.5AmOhms4.2655.0%23.3arg=××=×=最大动态电流噪声容限电压ettZ5.电源完整性仿真与分析图5.4所选择电容的阻抗-频率对数曲线Fig.5.4Impedance-frequencylogarithmiccurvesofchoosedcapacitors167MHz5.电源完整性仿真与分析AC电源平面地平面去耦电容器1安培电流源planesC…电压调节模块图5.5单节点仿真电路模型5.电源完整性仿真与分析图5.6添加电容对电源平面阻抗的影响Fig.5.6Influenceofaddingcapacitoronpowerplaneimpedance5.电源完整性仿真与分析图5.73.3V电源平面单节点仿真Fig.5.7Singlenodesimulationof3.3Vpowerplane5.电源完整性仿真与分析图5.8改进后的3.3V电源平面单节点仿真Fig.5.8Improvedsinglenodesimulationof3.3Vpowerplane5.电源完整性仿真与分析2V1VlVrVmVlGmGrG2G1GXYwlx∆y∆图5.9多节点仿真模型Fig.5.9Multi-nodesimulationmodel图5.10电源平面的网格划分Fig.5.10Meshdivisionofpowerplane5.电源完整性仿真与分析图5.11根据去耦半径进行电容器布局Fig.5.11Capacitorlayoutbaseondecouplingradius图5.12在所分析节点附近进行电容器布局Fig.5.12Capacitorlayoutneartheanalysisnode5.电源完整性仿真与分析图5.13所分析节点的阻抗-频率曲线Fig.5.13Impedance-frequencycurvesoftheanalyzednode5.电源完整性仿真与分析图5.143.3V电源平面多节点仿真结果Fig.5.14Multi-nodesimulationresultof3.3Vpowerplane5.电源完整性仿真与分析图5.15完成布线后的电路板Fig.5.15PCBboardwhichfinishRouting图5.16布线后3.3V电源平面多节点仿真结果Fig.5.16Multi-nodesimulationresultof3.3Vpowerplanewhichfinishrouting6.结论1.在经典电路分析的基础上，研究了电源分配网络的组成结构的特点，分析了电源噪声产生的原因，引出了频域目标阻抗进行电源完整性设计的方法。2.在总结和研究前人成果的基础上，分析了电源分配系统各组成部分的工作原理，完成各部分模型的建立与仿真。3.使用Cadence软件的AllegroPCBPI电源完整性设计仿真工具，将本文所建立的电源分配系统模型和频域目标阻抗法相结合，将其有效的应用到CycloneIINios开发板电源完整性的设计与分析当中，由电源完整性仿真结果，对电源分配系统进行了优化设计分析，并最终完成了开发板的设计。参考文献[1]乔明月.高速电路馈电接地系统的电源完整性和电磁兼容研究，[硕士学位论文]，上海，上海交通大学[2]张木水.高速电源分配网络设计与电源完整性分析，[博士学位论文]，西安，西安电子科技大学，2009[3]刘春天.高速电路馈电接地系统的电源完整性研究，[硕士研究生论文]，上海，上海交通大学，2009[4]申伟,唐万明,王杨.高速PCB的电源完整性分析，现代电子技术，2009,24,213~218[5]韩海涛.高速数字PCB板互联噪声建模与仿真研究，[硕士研究生论文]，成都，电子科技大学，2006[6]李君.系统级封装的电源完整性分析和电磁干扰研究，[博士学位论文]，成都，西南交通大学，2010[7]StephenH.Hall,HowardL.Heck.Advancedsignalintegrityforhigh-speeddigitaldesigns,USA,WileyIEEE,2005,553~561[8]李琳琳.高速数字电路设计中电源完整性分析，火控雷达技术，2010,39（2）：41~44[9]朱磊,王跃明,刘银年.DDRSDRAM控制电路电源完整性研究,现代电子技术，2006，24,28~29[10]BrainYoung.DigitalSignalIntegrityModelingandSimulationwithInterconnectsandPackages,USA,PrenticeHall,2000,271~279[11]白同云.高速PCB电源完整性研究，中国电子科学研究院学报，2006,1（1）：23~30[12]马守兴,邱兵.利用AllegroPCBPI进行电源完整性设计，无线电工程，2007,37（8），62~64[13]郭叙海.基于高端FPGA的IC验证平台的电源完整性(PI)分析，中国集成电路，8:37~41[14]徐红波.高速通信系统中PCB板级电源分配系统对信号完整性的研究，[硕士研究生论文]，上海，华东师范大学，2005[15]王银珺.封装和PCB上电源/地平面的分析和优化，[硕士学位论文]，杭州，浙江大学，2008参考文献[16]SwaminathanM，DaehyunChung，Grivet-TalociaSetc.DesigningandModelingforPowerIntegrity,ElectromagneticCompatibility,May2010,52:(2),288~310[17]王超.高速背板的电磁场建模和仿真，[博士学位论文]，合肥，中国科学技术大学，2007[18]贾深.高速数字电路中无源器件建模和电源完整性分析，[硕士研究生论文]，西安，西安电子科技大学，2006[19]李小平.高速PCB的信号完整性、电源完整性和电磁兼容性研究，[硕士研究生论文]，成都，四川大学，2005[20]邵鹏.高速电路设计与仿真分析：Cadence实例设计详解，北京，电子工业出版社，2010,320~313[21]MadhavanSwaminathan,EgeEngin.Powerintegritymodelinganddesignforsemiconductorsandsystems，USA，PrenticeHall，2008,235~240[22]刘渝.高速数字印制电路板中的电磁辐射分析，[硕士研究生论文]，西安，西安电子科技大学，2006[23]WangLi-xin,ZhangYu-xia,ZhangGang.PowerIntegrityAnalysisforHigh