电源完整性仿真让电路板更完美

　　为PCB(印刷电路板)上的芯片提供电能不再是一种简单的工作。过去，通过细走线将IC连接到电源和地就行了，这些走线占不了多少空间。当芯片速度升高时，就要用低阻抗电源为它们供电，如用PCB上的一个电源层。有时候，只需要用四层电路板上的一个电源层和一个地层，就可以解决大多数电源完整性问题。除了电源层以外，还可以为每只IC去耦，以解决设计中繁琐的电源问题。

　　不过，现在的PCB空间(还有成本与你的日程)都很紧张，这些问题也带来了对电源的影响。Mentor Graphics公司的仿真与模拟系列产品高级总监Dave Kohlmeier称：“消费设备与便携设备都在为节省成本而使用更少的PCB层，但它们上面的IC却需要更多的电压等级。”这些问题不仅影响着便携产品，工业产品也有空间约束(图1)。一个现代蜂窝基站的电路要装在天线上的一个小盒子里，而天线通常位于建筑内的19英寸机架中。

　　在大批量的消费产品与汽车产品中，成本是关键因素。在PCB上放一堆可能不需要的电容，肯定是不可接受的。为获得成功，设计周期会缩短到以周以月计，而不是年。现在，不可能只为了修补和优化电源层和地层而花时间去重做一遍PCB板。

　　为现代电子产品设计电源系统是一个令人畏惧的挑战。DDR存储器工作在1600Mbps，并很快就会运行到四重模式的2200Mbps。更糟糕的是，它是一种单端输出，意味着你的电源系统必须应对电源电流的突发性挑战。器件中的数字门可能同时都在开关，电源完整性工程师将这种特性描述为同步开关噪声。串行通信有着困难的电源需求。802.3ba以太网标准要求的数据速率为40Gbps和100Gbps(参考文献1)。

　　现代数字芯片的运行电压低于1V，这意味着，即使毫伏级的噪声也会造成与数据相关的问题。多只芯片会从统计上增加和造成电源下降或过压问题。你的系统可能数周甚至数月都运行正常，而某个时刻所有数字电路的同时开关却造成系统的重启。这些电源完整性问题都难于查出。系统中单只芯片的电源完整性问题可能影响系统的其它芯片，从而导致重启。美国国家半导体公司的模拟应用工程师Paul Grohe指出：“即使纳秒级的电力损失也会使系统不可靠。”Ansys公司信号完整性产品经理Steve Patel称，设计可靠性的关键在于尽可能减小电源噪声，意味着数字系统工程师必须懂得模拟甚至RF的设计概念。

　　电源系统工程师知道，电源系统必须有低的阻抗(图2)，而模拟工程师的概念是，模拟IC电源脚上的噪声越小越好。与数字芯片不同，模拟芯片不存在噪声阈值。PSRR(电源抑制比)规格说明了有多少电源噪声会渗入到器件的输出脚。数字系统工程师现在也必须应付相同的电源噪声问题(见附文“请换个人跟我谈”)。

　　Sigrity公司产品营销经理Brad Brim说，为芯片提供电能的电源分配网络需要有低的等效电感：对内核电压为0.01nH，对I/O电源为1nH。他指出，电源层会将噪声耦合到信号中。某些情况下，布放在两个地层之间的一根信号线有15mV的噪声。当布局人员在电源层和地层之间布放相同信号时，它的噪声达45mV。

　　电源完整性工具可以对设计做出一种决定性的优化。当你做布局优化时，不能使用经验性的去耦方法。Ansys公司的Patel称，软件能帮助你决定电容的数量、类型以及成本。这些工具还能告诉你改变各层之间距离的效果。例如，TechDream公司总裁兼创始人Yoshi Fukawa称，NEC公司的PI(电源完整性)Stream能通过增加或移动电容，改变容值和层的形状，以及改变电源层与地层之间的距离，帮助你获得自己的阻抗目标。

　　Mentor公司的Kohlmeier认为：“你可以用CAD文件做假设分析的实验。这比硬件重试要快得多。这就是虚拟原型的价值。”因此，仿真软件的使用就很重要，这样可以在设计阶段的早期做出关键性的决策。改变电容位置、电容数量以及其它变量也许不会影响到其它部门，但为了提高层间电容而减少层间距离，则会影响整个设计团队(图3)。Sanmina-SCI有专利的现代制造方法，可以设计出4mil介电质的层间厚度，增加了层间的电容。

　　解决问题的方法

　　Kohlmeier表示，电源完整性仿真要比很多工程师的预期更加困难，因为必须考虑每只电容、连接过孔，以及功率层的结构。他指出，连接两个层面的过孔会降低供电网络的阻抗，因此它和电容一样重要。与电源完整性不同，信号完整性一般会涉及一些走线，用示波器就可以在时域中测量信号完整性。使用Port 1至Port 1的Z11阻抗曲线，对电源完整性的仿真可以得到频域的阻抗。要了解一个功率层的阻抗问题，需要一台VNA(矢量网络分析仪)，它很难使用。仿真是测量的补充，而不是替代，它们能在制造前就提供出有关PCB性能的重要信息 。Sigrity公司的Brim称：“无论你的仿真软件有多快，也快不过一次测量。”不过他指出，你得有一块已制造好的PCB才能做快速测量。

　　你必须相信IC设计者已完成的工作，相信所使用的芯片没有电源完整性问题。Ansys公司的Patel称，“IC及其打线都不是电源完整性的关键，”因为IC电源管脚与打线都是并联的(图4)。Mentor Graphics公司HyperLynx的工程总监Steve Kaufer就认为，那些缺乏避免电源完整性和信号完整性问题的技术知识的布局工程师们，则经常是问题的根源。

　　电源完整性软件能帮助你解决直流和交流问题，另外电源层与地层之间的空穴都是RF波导。为处理直流问题，必须确保PCB层可以承载需要提供的电流量。为处理交流问题，必须确保电源系统可以为现代芯片提供所需的快速变化电流。最后，注意波导的行为可能是非直观的。RF问题在防备EMI(电磁干扰)问题时很重要，它会使你的电路板无法通过FCC(联邦通信委员会)的认证。如果设计采用了大的板面，则使用仿真就很重要，大板面会产生谐振。如果你的板面会从层间空腔发射出RF，则用适当的软件仿真可以帮助EMI工程师解决这类问题。纠正方法可以是围绕电路板边缘布放电容。Sun Microsystems公司有一个专利6727780，它使用与电容串联的电阻，这样RF能量就能在电路板边缘被吸收，而不会反射回结构内。