高速PCB电源完整性设计与分析ppt

内蒙古大学电子信息工程学院自动化系高速PCB电源完整性设计与分析Design and Analysis of Power Integrity in High Speed PCB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图1.1 芯片的组成结构晶体管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.目标阻抗降低图1.2 摩尔定律2.更低的偏置电压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P C B 电源平面封装电源平面L P F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I 0CI cA B++++------图2.2 电容的去耦原理Fig.2.2 Principle of capacitance decoupling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I 0C I cAB++++------图2.3 电源系统的阻抗Fig.2.3 Impedance of power system电源ABZ图2.4 电源系统的等效电路Fig.2.4 Equivalent circuit of power systemIZ V ∆=∆3. 频域目标阻抗法图3.1 频域目标阻抗法Fig.3.1 Frequency Domain Target Impedance Methodmaxarg I Ripple V Z CC ett ∆×=4. 电源完整性分析建模D C负载slewL flatR outL outR 图4.1 开关电源模块简化模型Fig.4.1 Simplified power supply model 图4.2 电压调节模块阻抗曲线图Fig.4.2 VRM Impedance Curve4. 电源完整性分析建模图4.3 电源平面分割Fig.4.3 Subdivision of power plane4. 电源完整性分析建模C图4.4 理想电容模型Fig.4.4 Model of ideal capacitor图4.5 理想电容的频域阻抗特性Fig.4.5 Frequency-domain impedance characteristics of ideal capacitance4. 电源完整性分析建模SR SL CpR da R daC 图4.6 实际电容模型Fig.4.6 Model of actual capacitorS R SL C图4.7 简化的电容模型Fig.4.7 Simplified capacitor model图4.8 电容的频域阻抗特性Fig.4.8 Frequency-domain impedancecharacteristics of capacitor4. 电源完整性分析建模图4.9 电容器的自谐振频率Fig.4.9 Self-resonance frequency of capacitor5. 电源完整性仿真与分析Cyclone II EP2C35F672C5最高频率：250MHzCypress SSRAM 最高频率：167MHzMicron DDR SDRAM 最高频率：167MHzLM26783.3V图5.1 Cyclone II Nios II 开发板5. 电源完整性仿真与分析T o p电源层：3.3V信号层信号层电源层：G N D信号层信号层/电源层：V cc1.2V、V cc5V、V ccL2_P L L等电源层：G N D信号层电源层：G N D信号层电源层：2.5V信号层F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4F R-4Pw r_Layer2 Inner1_Layer3G n d_Layer4 Inner2_Layer5 Inner/Pw r_Layer6 G N D_Layer7 Inner3_Layer8G N D_Layer9 Inner4_Layer10 Pw r_Layer11B o tto m电源平面对电源平面对电源平面对图5.2 叠层关系Fig.5.2 Relationship of stackup5. 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Y esN oY es N o图5.3 Allegro PCB PI 电源完整性分析流程Fig.5.3 Allegro PCB PI power integrity analysis process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Cyclone II Nios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=2.5AmOhms 4.2655.0%23.3arg =××=×=最大动态电流噪声容限电压ett Z5. 电源完整性仿真与分析167MHz 图5.4 所选择电容的阻抗-频率对数曲线Fig.5.4 Impedance-frequency logarithmic curves of choosed capacitors5. 电源完整性仿真与分析A C 电源平面地平面去耦电容器1安培电流源planes C …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.5.6 Influence of adding capacitor on power plane impedance5. 电源完整性仿真与分析图5.7 3.3V电源平面单节点仿真Fig.5.7 Single node simulation of 3.3 V power plane5. 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.5.8 Improved single node simulation of 3.3 V power plane5. 电源完整性仿真与分析2V 1V l V r V mV l G mG rG 2G 1G XY w lx ∆y∆图5.9 多节点仿真模型Fig.5.9 Multi-node simulation model 图5.10 电源平面的网格划分Fig.5.10 Mesh division of power plane5. 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.5.11 Capacitor layout base ondecoupling radius 图5.12 在所分析节点附近进行电容器布局Fig.5.12 Capacitor layout near theanalysis node5. 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.5.13 Impedance-frequency curves of the analyzed node5. 电源完整性仿真与分析图5.14 3.3V电源平面多节点仿真结果Fig.5.14 Multi-node simulation result of 3.3 V power plane5. 电源完整性仿真与分析图5.15 完成布线后的电路板Fig.5.15 PCB board which finish Routing 图5.16 布线后3.3V 电源平面多节点仿真结果Fig.5.16 Multi-node simulation result of3.3V power plane which finish routing6. 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Allegro PCB PI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Cyclone II Nios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。

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