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ARM11核心板电源完整性探讨范文

时间:2022-08-16 10:00:56

ARM11核心板电源完整性探讨

《电子器件杂志》2014年第三期

1电源完整性仿真参数的分析

1.1直流参数在PCB设计中,由于平面层的分割,不理想的电流路径和各种过孔、信号线的分布,PDN的直流特性将受到影响,表现为PDN的输入电阻以及电流密度增大,而输入电阻过大将导致电源平面电压的降低,所以对电源平面直流电压分布的仿真有利于改善PDN的输入电阻;而电流密度过大一方面会增加PDN输入电阻上的压降,另一方面会降低元件寿命,所以对电源平面直流电流分布的仿真也有利于改善PDN的直流特性。

1.2交流参数地层和相邻的电源层形成波导结构,该结构会产生谐振模式,在谐振模式处电源平面电压将发生较大波动,通过在电压波动最大的地方放置合适的去耦电容,可以消除该谐振模式,所以对电源平面谐振分布的仿真有利于改善PDN的交流特性。而目标阻抗法是PDN的典型设计方法,当PDN的输入阻抗小于目标阻抗时,电压波动就会小于电源噪声容限,所以对PDN的输入阻抗进行仿真,通过减小PDN的输入阻抗也可以改善PDN的交流特性。

2电源完整性仿真分析

2.1仿真软件介绍AnsoftSIwave采用全波有限元算法,对于信号完整性和电源完整性分析,SIwave可以准确分析从直流到10GHz带宽的电气参数。通过全波电磁算法直接抽取走线和电源网络的变频电气参数,可以容易定位SI、PI和EMI的问题所在。

2.2直流参数仿真分析(1)进行直流电压分布的仿真,调整前电源平面直流电压分布如图4所示,发现1.2V电源平面电压偏低,需要调整布局布线,即通过减小布线的长度、加粗布线的宽度、增加到电源平面的路径等措施降低1.2VPDN的输入电阻,调整后电源平面直流电压分布如图5所示,调整前后直流电压分布的仿真结果如表1所示,可见1.2V电源平面直流电压分布得到改善。(2)进行直流电流分布的仿真,调整前电源平面直流电流分布如图6所示,橙色部分电流密度偏大,需要调整布局布线,即通过敷铜增加和分散VRM到电源平面的过孔,使注入电流平均分摊到电源平面上,也可将电流密集区的过孔移至电流稀疏区以增加载流截面积,调整后电源平面直流电流分布如图7所示,调整前后直流电流分布的仿真结果如表2所示。

2.3交流参数仿真分析(1)进行谐振分布的仿真,发现电源地平面之间存在398.6MHz的谐振模式,对应的谐振分布如图8所示,图中上半区域为3.3V电源平面,处于谐振的波峰位置,如果谐振被激发,将会影响CPU的正常工作,需要设计低阻抗的PDN去耦网络来消除这个谐振模式。(2)进行PDN的输入阻抗仿真,CPU的3.3V引脚允许的电压波动为0.3V,CPU最大工作电流约为1A,计算得到3.3VPDN的目标阻抗为0.6Ω,CPU最大工作频率为667MHz,所以3.3VPDN的输入阻抗在667MHz内应小于0.6Ω,3.3VPDN的输入阻抗如图10所示。图10中上面曲线为调整前3.3VPDN的Z参数曲线,在165.8MHz开始输入阻抗大于0.6Ω,极大点397MHz、467.3MHz为3.3VPDN的谐振频率,放置相应谐振频率的电容以降低3.3VPDN的输入阻抗,选取电容如下:0.33nF、0.39nF、0.82nF、1.8nF、3.9nF、1μF,图10中下面曲线为调整后3.3VPDN的Z参数曲线,在929.6MHz内输入阻抗都小于0.6Ω。3.3VPDN的输入阻抗满足要求,且不存在谐振频率,如表3所示。放置电容后电源平面谐振分布如图9所示,整个电源平面的电压波动已符合要求。

3结束语

在高速电路设计中SSN对电源完整性影响很大,必须采取有效措施减弱SSN对芯片电源电压和信号线电压带来的影响。对于ARM11核心板,通过减小布线的长度、加粗布线的宽度、增加到电源平面的路径等措施,电源平面直流电压分布得到改善;通过敷铜增加和分散VRM到电源平面的过孔,以及将电流密集区的过孔移至电流稀疏区以增加载流截面积,电源平面的直流电流分布得到改善;运用目标阻抗法,在电压波动最大的地方放置合适的去耦电容,削弱了电源地平面之间的谐振,使得整个电源平面的电压波动符合要求。文章的不足之处是没有深入研究去耦电容的选取方法,在今后的学习工作中仍需继续探究。

作者:沈敏吴明赞李竹单位:南京理工大学自动化学院

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