電容只要配得好，紋波自然小

作者:黃剛

弱弱的問下大家,如果一個(gè)板子沒有經(jīng)過仿真只憑借設(shè)計(jì)工程師的經(jīng)驗(yàn)完成了設(shè)計(jì),板子加工貼片后測試發(fā)現(xiàn)電源紋波超過了要求,你們下一步會(huì)做什么?只有再重新設(shè)計(jì)然后投板回來再測試看看這一條路嗎?

文章的一開始肯定是循例說一些理論知識(shí)(干貨),既然本文的內(nèi)容是講電源紋波噪聲的,我們?cè)赟I領(lǐng)域上就必定會(huì)提到一個(gè)專業(yè)名詞,那就是下面這個(gè)詞了。

PDN,power delivery network,江湖人稱電源分配網(wǎng)絡(luò),從字面的意思來理解,實(shí)際上它是一個(gè)泛指,指的是PCB或者系統(tǒng)上的電源網(wǎng)絡(luò)。而在我們SI領(lǐng)域中賦予了新的含義,它指的是我們仿真概念中的PDN阻抗,也就是電源網(wǎng)絡(luò)的頻域阻抗。下圖是高速先生在多個(gè)場合都反復(fù)用過的一張圖了。

我們知道,從電源芯片到負(fù)載芯片,其實(shí)電源網(wǎng)絡(luò)會(huì)經(jīng)過幾個(gè)典型的地方。首先是從電源芯片出發(fā),會(huì)經(jīng)過電源芯片的封裝,然后電源網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入到PCB板上,PCB板上我們都會(huì)放置大大小小的電容,然后去到我們負(fù)載芯片的pin。對(duì)!只是pin,并不是真正的負(fù)載位置,因?yàn)樾酒且M(jìn)行封裝的,從pin到die還要經(jīng)過芯片的封裝,封裝會(huì)有電感的產(chǎn)生,電源網(wǎng)絡(luò)只有經(jīng)歷了這重重的考驗(yàn)才能順利達(dá)到真正的負(fù)載接收端。所以電源網(wǎng)絡(luò)在整段路徑都需要特定的電容才能進(jìn)行濾波,例如在電源輸出端需要bulk電容,PCB上需要小點(diǎn)的電容,在芯片封裝里面嚴(yán)格來說還需要更小的電容,終于通過die內(nèi)的強(qiáng)力電容完成任務(wù)。值得一提的是,不同區(qū)域的電容其實(shí)它們只能去管到屬于自己的那個(gè)頻段而已哈!上面的關(guān)于PDN阻抗的原理,雖然高速先生已經(jīng)多次提起了,但是只要能再讓粉絲們熟記的話,我們是愿意重復(fù)再重復(fù)的哈。

好,上面快速的講完原理之后,我們正式進(jìn)入了這個(gè)案例。我們SI工程師和硬件測試工程師對(duì)于電源噪聲的理解其實(shí)是有不同的側(cè)重點(diǎn)的。我們更多喜歡在頻域的角度去分析,例如上面所說的PDN阻抗,而硬件測試工程師則喜歡時(shí)域的仿真,也就是我們所說的紋波,一般用示波器進(jìn)行測量。這個(gè)差異是由很多因素決定的,這里不再展開了。

回到我們一開頭的問題,我們就有這么一塊已經(jīng)做出來的板子,硬件工程師測試FPGA上0．85V的電源發(fā)現(xiàn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了5%的紋波要求,然后向我們求助。

我們拿到了客戶設(shè)計(jì)的板子去看該電源網(wǎng)絡(luò)的情況,會(huì)發(fā)現(xiàn)bulk電容和一些大電容都擺放得有點(diǎn)遠(yuǎn),從設(shè)計(jì)上看其實(shí)是沒有做到很完善的。從客戶處了解到,這個(gè)項(xiàng)目客戶并沒有找我們進(jìn)行仿真,只是靠FPGA芯片的設(shè)計(jì)指導(dǎo)進(jìn)行布局布線和濾波電容的放置。

大家知道,當(dāng)一個(gè)PCB設(shè)計(jì)已經(jīng)完成并且做出來之后,其實(shí)里面的很多東西就已經(jīng)是固定了。例如電源芯片和FPGA芯片的布局、布線、電源反饋點(diǎn)的位置等等,因此肯定做不到把位置遠(yuǎn)的電容把它們?cè)谧龊玫陌遄由先ダ稽c(diǎn)這個(gè)操作了,同樣也不可能把電源平面再加寬一點(diǎn)或者把電源銅厚再加厚,也不可能把電源反饋點(diǎn)的位置進(jìn)行變化了。

恩,在大多數(shù)的眼中,看起來只能重新進(jìn)行設(shè)計(jì)再去制板了。然而高速先生還想再糾結(jié)一把,想看看能不能在原有的板子去改動(dòng)點(diǎn)什么能減小點(diǎn)噪聲。看著看著,高速先生突然關(guān)注到了一個(gè)點(diǎn),那就是電容的配置。

我們看到原來該電源網(wǎng)絡(luò)的電容配置是這樣的:

看起來是還可以,從大電容到小電容都是有的,種類也算比較齊全。但是高速先生還想看看它能不能經(jīng)受我們仿真的考驗(yàn)。我們通過客戶提供的最大電流進(jìn)行PDN阻抗的仿真,驚訝的發(fā)現(xiàn),在需要看到的10MHz前的頻域內(nèi),現(xiàn)在板子的PDN阻抗在5到6MHz是有明顯的超標(biāo),PDN阻抗居然是不滿足要求的。

這樣高速先生就有底氣告訴客戶,我們有希望從電容的配置著手,通過改變電容大小和種類的方法來實(shí)現(xiàn)在當(dāng)前的板子上減小噪聲!

在原有電容位置不能挪動(dòng)的情況下,我們經(jīng)過多次迭代仿真,把某些電容的值進(jìn)行了調(diào)整,最終給出的BOM表改成了如下的樣子。

這個(gè)時(shí)候我們優(yōu)化后的PDN阻抗曲線就基本滿足目標(biāo)阻抗了。

最后我們拿著這個(gè)優(yōu)化后的仿真結(jié)果去慫恿,哦不是,是鼓勵(lì)客戶在原有的板子上更換新BOM表的電容配置,然后加載程序后再次進(jìn)行測試!

客戶于是滿懷忐忑的心情按照高速先生的建議去做了,結(jié)果卻讓他們有了驚喜,紋波測試結(jié)果有了明顯的改善,從之前的56mV減小到了43mV,紋波基本滿足了5%的波動(dòng)要求。

簡單總結(jié)下本文章的核心內(nèi)容哈,那就是在電容的位置不能改變,布局布線也不能變化的情況下,最重要的是在無需重新設(shè)計(jì)和投板的前提下,我們僅僅通過PDN阻抗仿真優(yōu)化來調(diào)整電容的配置來達(dá)到減小噪聲、滿足紋波測試標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo),為客戶節(jié)省了大量的成本和研發(fā)時(shí)間。