一种使用Cadence PI对PCB电源完整性的分析方法

摘要：为了解决高速多层PCB的电源完整性问题，缩短其开发周期，提高其工作性能，以ARM11核心系统为例，提出利用Cadence PI对PCB进行电源完整性分析的方法。通过对电源系统目标阻抗分析，确定去耦电容的数值，数量以及布局;对电源平面进行直流压降和电流密度分析，改善PCB设计，优化系统的电源完整性。利用动态电子负载搭建的测试平台，对电源仿真分析后制作的PCB进行测试，系统电源完整性较好，表明分析的结果是有效的。

随着现代高速信号的速率越来越快，信号边缘越来越陡，芯片的供电电压的进一步降低，时钟频率和数据读取速率的增加要求消耗更多的电能，在进行电子系统信号完整性分析研究的同时，如何提供稳定可靠的电源给电子系统也已成为重点研究方向之一。电源完整性工程的分析方法和实践目前还处在不断探索的阶段，利用仿真技术，在满足加工制造与测试条件的总体方案和设计准则下，在产品设计早期尽可能地解决电源完整性问题，能最大限度地降低产品成本，缩短研发周期。目前，一些EDA工具提供相应的电源完整性(Power Integrity，PI)仿真分析功能，其中Allegro提供良好的交互工作接口，和它前端产品Cadence、Orcad、Capture紧密结合，为当前高速、高密度、多层的复杂PCB设计提供了最完美解决方案。文中采用Allegro中的组件Cadence PI对ARM11核心系统进行了电源完整性分析，并对PCB板进行电源完整性的测试，验证仿真分析的结果。

1 电源完整性理论分析

1.1 电源分配系统的概念

在电子系统中，电源子系统的作用是为所有器件提供稳定的电压参考和足够的驱动电流，因此，电源电路和功能电路之间应该是低阻抗的电源连接和接地连接。一个理想的电源系统，其阻抗为0，在平面任何一点的电位都是恒定的，但实际电源系统具有复杂的寄生电容和电感，而且供电芯片所提供的供电电压也非理想的恒定值。

电源分配系统(Power Distribution System，PDS)由目标阻抗，电压调节模块(Voltage Regulator Module，VPM)，电源/地平面、去耦电容与高频陶瓷电容组成。

电源完整性问题是指高速系统中的电源分配网络在不同频率下，有不同的输入阻抗，导致电源/地平面上存在由噪声电流△I和瞬态负载电流△I’引起的电压抖动△V。这个电压波动，一方面影响平面为数字信号提供稳定的电压参考，另一方面会使提供的电源电压抖动，影响器件工作性能。当平面电压波动超出器件的容忍范围时，会造成系统不能正常工作。电源分配系统设计的关键是目标阻抗Z，其定义如式(1)：

式中，Vdd为芯片电源电压，ripple为系统允许的电压波动，△Imax为负载芯片的最大瞬态电流变化量。电源系统的目的在于能够在有限的反应时间内，以恒定的电压值提供足够的驱动电流，因此需要有足够低的电源阻抗。

1.2 解决电源完整性的方法

电压调节模块，电源/地平面、去耦电容与高频陶瓷电容在不同频率范围内对电源分配系统的阻抗起决定性作用。在1KHz到几Hz低频段，电压调节调整输出电流以调节负载电压;几MHZ到几百MHZ中频段，电源噪声主要是由去耦电容和PCB的电源/地平面对来滤波;在1 GHz以上高频部分，电源噪声主要是由PCB的电源/地平面对和芯片内部的高频电容来滤波。在做电源完整性仿真的时候，真正有意义的频段主要是在几MHZ到几百MHZ这个频段。目前解决电源完整性问题的途径主要有以下两个方面：

一是优化PCB的叠层设计和布局布线。在高速PCB设计中通常采用整块铜层作为电源/地平面，尽可能减小输入阻抗。电源和地平面可以看作是一个平面电容，特别是在低中频阶段，等效串联电阻，等效串联电感很小，具有良好的去耦滤波特性。综合前期信号完整性所做阻抗匹配和目前的生产标准，合理的设置层间间距，选择合适的板间电容值，可以很好的改善高速设计的电源完整性。电源和地平面的电容值可以估计为式(2)：

式中，εo=8.854 pF;εr=4.5(FR-4材料标定值);A为电源层铺铜面积(m2);d为铺铜电源层之间的间隔(m)。根据仿真结果可知，较小平面电容C拥有更高的阻抗响应曲线和更高的谐振频率。

二是布置去耦电容。这是目前最有效的解决电源完整性问题的途径。在高频系统中，电源分配系统中的寄生电感不能忽略，它直接导致电源分配系统的阻抗增加。由于电容与电感在频域具有相反特性，因此可以采用添加电容的方法来减小由于电感导致的阻抗增加。同时，电容具有储能效应，能以极快的速度响应变化的电流需求，所以它能有效改善局部区域内电源的瞬态反应能力。如何选择合适容值的电容、以及确定电容恰当的摆放位置，使电源分配系统阻抗在PCB系统的整个工作频率范围内都小于目标阻抗成为解决电源完整性问题的关键。借助Cadence PI可以快速地确定去耦电容的容值、数量和摆放位置，提高开发效率。

2 电源完整性仿真

2.1 ARM11核心系统

文中以Cadence PI为仿真工具，对ARM11核心系统进行电源完整性分析，本文中的ARM11核心系统采用S3C6410芯片。S3C6410是一款ARM11体系架构，FBGA封装，需要多电源工作的芯片。本文中该芯片有2个工作电压：核心供电电源1.2 V，有26个电源引脚(10个核心电源引脚，16个逻辑电源引脚);输入/输出接口供电电源3.3 V，有30个I/O电源引脚。芯片内部的工作频率是667 MHz，外部存储器输入/输出接口工作频率是266 MHz。ARM11核心系统采用8层层叠结构，在信号仿真阻抗匹配和生产标准的前提下，设定层间间距。本文利用Cadence PI对ARM11核心电压电源网络VDD_ARM进行电源完整性仿真。

由S3C6410芯片数据手册可知，核心电流消耗是200 mA，加上100%的容限，系统允许的电压波动值取4%，核心电压1.2V，根据式(1)，在仿真中设定目标阻抗为0.12 Ω。