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      PCB電源完整性完整指南：從電路板到封裝

      凡億PCB ? 來(lái)源：未知 ? 2023-09-10 07:40 ? 次閱讀
      盡管看似簡(jiǎn)單，但PCB和高級(jí)封裝中的功率傳輸仍然是設(shè)計(jì)人員面臨的最大挑戰(zhàn)之一，尤其是在數(shù)據(jù)中心、邊緣計(jì)算、移動(dòng)設(shè)備和電信/網(wǎng)絡(luò)等環(huán)境中。在這些環(huán)境中，大量數(shù)據(jù)通過(guò)極高的數(shù)據(jù)速率通道傳輸，盡管我們非常關(guān)注信號(hào)完整性，但如果沒(méi)有穩(wěn)定的電源，這些系統(tǒng)都無(wú)法工作。電源完整性發(fā)生在元件級(jí)和PCB級(jí)，正如其他人在本博客中提到的那樣，電源完整性問(wèn)題會(huì)造成信號(hào)完整性問(wèn)題（抖動(dòng)、電源/接地反彈、EMI）。雖然大多數(shù)更簡(jiǎn)單的電源完整性指南往往只關(guān)注PCB級(jí)別，但PCB和封裝必須協(xié)同工作才能為互連提供穩(wěn)定的電源。本指南將嘗試為PCB設(shè)計(jì)人員提供電源完整性的綜合概念視圖。雖然設(shè)計(jì)人員通常無(wú)法控制其封裝，但他們可以采取措施確保其PCB和元件封裝協(xié)同工作以提供穩(wěn)定的電源。我將概述一些確保這些領(lǐng)域的電源完整性的主要方法，涵蓋從疊層設(shè)計(jì)到最佳電容器選擇的各個(gè)方面。什么決定了PCB中的電源完整性？電源完整性在交流和直流中都是一個(gè)概念；在直流情況下，我們關(guān)心銅線的尺寸是否合適以確保低直流壓降。如果設(shè)計(jì)PCB時(shí)未考慮電源完整性，在電源軌上觀察到的電壓可能如下圖所示。在I/O切換的階段，從PCB的供電網(wǎng)絡(luò)（PDN）拉出的電流脈沖會(huì)激發(fā)電源總線上的瞬變。邏輯電路重復(fù)切換示例如下所示。

      wKgZomT9A36AUwl3AAAeLcgiVVU924.png

      發(fā)生這種情況的最常見(jiàn)實(shí)例是開關(guān)速度非?？斓母咚僭?；同時(shí)切換更多的I/O會(huì)導(dǎo)致更大的功率需求，因此電源軌上可能會(huì)有更多噪聲。放大瞬態(tài)響應(yīng)時(shí)，瞬態(tài)會(huì)隨著多個(gè)時(shí)間常數(shù)衰減，其中最主要的是一個(gè)長(zhǎng)的低頻時(shí)間常數(shù)，它在電源軌上產(chǎn)生的噪聲最多。通常，當(dāng)給定PDN結(jié)構(gòu)的信號(hào)上升時(shí)間更快時(shí)，生成的紋波可能具有更大的過(guò)沖，或者與更高頻率的欠阻尼振蕩相關(guān)的多個(gè)時(shí)間常數(shù)。這些振蕩不可取，原因有兩個(gè)：
      1. 它們?cè)谳敵鲂盘?hào)上顯示為噪聲（包括時(shí)序噪聲和信號(hào)電平噪聲），可能導(dǎo)致邏輯電平的誤讀
      2. 它們產(chǎn)生的輻射EMI可以從電路板上測(cè)量，通常是從邊緣測(cè)量
      出于這兩個(gè)原因，設(shè)計(jì)人員必須采取一些措施來(lái)確保穩(wěn)壓器的直流電壓輸出盡可能穩(wěn)定。PDN阻抗、電感和電容PCB中PDN的阻抗將是電源完整性的主要決定因素。穩(wěn)壓器也通過(guò)其反饋回路發(fā)揮作用（參見(jiàn)下文），但設(shè)計(jì)PDN阻抗是PCB設(shè)計(jì)人員的工作范圍。目標(biāo)是盡可能降低PDN阻抗，通常低于100 mOhm水平。PDN阻抗由多個(gè)元素的存在決定，如下表所示。

      元素

      對(duì)電源完整性的影響

      電源和接地層對(duì)

      • 存儲(chǔ)可以釋放的電荷以提供高頻功率

      • 確定通向封裝的擴(kuò)散電感

      離散電容器

      • 提供低頻和中頻功率

      電容器封裝和過(guò)孔電感

      • 限制為信號(hào)提供電源的電容放電速率

      • 確定上方所示的瞬態(tài)振蕩頻率

      嵌入式電容

      • 指介電材料在電源和接地層之間提供的電容

      封裝寄生效應(yīng)

      • 確定封裝如何在達(dá)到GHz范圍的高頻下提供功率

      總的來(lái)說(shuō)，這些元素將決定PDN的阻抗頻譜。PDN的各種貢獻(xiàn)因素如下圖所示，這些貢獻(xiàn)大致按頻率范圍劃定。此處顯示的阻抗譜由大量電容器構(gòu)成，這是以快速邊沿速率運(yùn)行的、具有高I/O計(jì)數(shù)的數(shù)字處理器的典型特征。

      wKgZomT9A36ARu1gAACrqDCiBl4602.jpg

      PDN拓?fù)?/span>

      所有為高級(jí)處理器供電的PDN都是多端口網(wǎng)絡(luò)。它們需要多重穩(wěn)定電壓，從高值到低邏輯電平。在高引腳數(shù)處理器上，電壓從較高邏輯電平（5V0或3V3）下降到低至0V8是很常見(jiàn)的。

      定義高級(jí)處理器PDN的電源樹如下所示。該示例旨在說(shuō)明如何構(gòu)建不同的電源軌，這些軌道來(lái)自為整個(gè)系統(tǒng)供電的主電源或穩(wěn)壓器。

      wKgZomT9A36ASmXRAACPjoBsujo542.jpg處理器的PDN拓?fù)涫纠枰膫€(gè)電壓逐漸降低的不同電源軌

      上方示例并非旨在推廣到所有數(shù)字元件，但它應(yīng)該說(shuō)明許多元件將具備多個(gè)電源軌。由上述電源拓?fù)涔╇姷臄?shù)字處理器可以是任何類型的元件，例如大型FPGA、網(wǎng)絡(luò)處理器、MPU、大型MCU、GPU或其他專用處理器。處理器上的I/O從電源軌獲取電源，因此這些電源軌可能會(huì)在PDN中經(jīng)歷顯著的瞬態(tài)噪聲。上方拓?fù)鋺?yīng)該說(shuō)明了兩個(gè)設(shè)計(jì)要求的必要性：軌道之間的隔離，特別是同一穩(wěn)壓器提供的兩個(gè)不同的軌道，這樣就不會(huì)在彼此之間傳遞噪聲。每條軌道還需要具備自己的低阻抗值，以確保任何噪聲激發(fā)都很低。印刷電路板疊層和材料在電源完整性方面，PCB疊層中的材料選擇在提供確保穩(wěn)定供電所需的電容方面起著重要作用。此外，層布置應(yīng)提供電源軌，以將其放置在薄層上與接地層相鄰的位置。這將有助于確保疊層為信號(hào)帶寬高達(dá)約1 GHz的信號(hào)提供足夠的電容。

      wKgZomT9A36AWMToAABkE7UZ2GY105.jpg

      將層分組到更高層數(shù)的策略當(dāng)平面層中的可用電容不足，并且離散電容器受到寄生效應(yīng)的限制時(shí)，可以通過(guò)嵌入式電容材料（ECM）提供所需的電容。這些材料是非常薄的薄膜（有些厚度低于1 mil），具有高達(dá)30的高Dk值。這些材料還可能具有非常高的損耗，會(huì)吸收在PCB基板中傳播的EMI，從而減少?gòu)碾娐钒暹吘壿椛涞腅MI。就PDN阻抗而言，這些材料的影響分為四個(gè)部分：
      • 在中檔頻率下提供更高的電容，從而降低阻抗（高達(dá)1 GHz）
      • 將與電源/接地層對(duì)相關(guān)的PDN諧振移至較低頻率
      • 抑制與電源/接地層對(duì)相關(guān)的GHz范圍內(nèi)的PDN諧振峰值
      • 將與平面電容相關(guān)的PDN阻抗谷值（從0.1到1 GHz）移至較低頻率
      這些材料的效果如下圖所示。隨著電介質(zhì)厚度的減小，我們可以看到PDN中的諧振峰值會(huì)衰減并移至較低頻率。如果我們?cè)黾硬牧现械慕殡姄p耗，也可以看到類似的結(jié)果。

      wKgZomT9A3-ADyn0AADyYWVWrbo607.jpg

      材料數(shù)據(jù)顯示，在PCB疊層中使用更薄的ECM時(shí)，PDN阻抗會(huì)降低。我們可以非常清楚地看到，通過(guò)使用更薄的ECM材料，1 GHz附近的共振行為大大降低。[來(lái)源：DuPont]封裝寄生效應(yīng)元件封裝具備與封裝結(jié)構(gòu)相關(guān)的自身寄生效應(yīng)，并且元件封裝具備自身的PDN阻抗。封裝阻抗與PCB阻抗相結(jié)合，它們共同決定了半導(dǎo)體芯片上邏輯電路中電源輸入端的噪聲量?，F(xiàn)代處理器包括封裝內(nèi)電容器，以幫助抑制瞬態(tài)激發(fā)，并將有用的信號(hào)帶寬擴(kuò)展到GHz范圍。不止于PCB和封裝我們涵蓋了PCB和封裝的所有內(nèi)容，包括高級(jí)封裝中一些最復(fù)雜的設(shè)計(jì)特性和模型。PCB設(shè)計(jì)人員可以控制電路板布局、疊層和布置/布線，并且還可以控制封裝。在功率調(diào)節(jié)策略方面，我們尚未涉及兩個(gè)重要主題：
      • 用于大型高速處理器的電壓調(diào)節(jié)器模塊（VRM）
      • 原理圖和PCB布局中的模擬
      VRM模塊PDN的結(jié)構(gòu)以及許多高級(jí)元件需要多個(gè)電源軌的事實(shí)需要多個(gè)穩(wěn)壓器模塊，它們相互為并聯(lián)分支。固定電源穩(wěn)壓器的作用是補(bǔ)償壓降并通過(guò)反饋回路（大多數(shù)穩(wěn)壓器上的FB引腳）維持目標(biāo)輸出電壓。反饋回路必須作出足夠快的響應(yīng)并調(diào)制輸出，以試圖穩(wěn)定輸出電壓。影響穩(wěn)壓器反饋環(huán)路響應(yīng)的因素出現(xiàn)在布局級(jí)別和元件級(jí)別。VRM的主題及其布局實(shí)踐將在本網(wǎng)站的其他位置介紹。除了VRM設(shè)計(jì)和布局之外，設(shè)計(jì)人員還應(yīng)專注于設(shè)計(jì)正確的疊層和電容器/材料選擇，以確保在其工作帶寬內(nèi)具有足夠低的PDN阻抗。正如我們上面所討論的，布局和放置也會(huì)通過(guò)產(chǎn)生寄生效應(yīng)，從而影響電源完整性。仿真仿真可以在交流或直流中進(jìn)行，也可以在原理圖或已完成的PCB布局中進(jìn)行。對(duì)于以高達(dá)GHz的信號(hào)帶寬運(yùn)行的高速PCB，交流電源完整性仿真最為重要，因?yàn)樗鼈兛梢越沂綢/O開始切換時(shí)的電源總線紋波。原理圖中的交流仿真是基于SPICE的仿真，可以檢查用于去耦/旁路的電容器網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)定性。這些模型允許估算電源總線響應(yīng)，以及評(píng)估PDN中包含的電容是否足夠。還需要評(píng)估由同一穩(wěn)壓器/VRM供電的不同電源軌之間的隔離性，這可以通過(guò)評(píng)估傳輸阻抗來(lái)確定。交流仿真也可以在PCB布局中執(zhí)行，但這需要電磁場(chǎng)求解器在給定PCB中PDN結(jié)構(gòu)的情況下預(yù)測(cè)信號(hào)在空間和時(shí)間上的行為。這些模擬要求密集的計(jì)算，需要專門的軟件。盡管交流模擬在先進(jìn)產(chǎn)品中很重要，但直流模擬在高速PCB中仍占有一席之地。在這些PCB的主處理器中切換的大量I/O會(huì)產(chǎn)生數(shù)安培的電流需求。當(dāng)您使用一塊為多個(gè)外圍設(shè)備提供服務(wù)的超大型高速電路板（如底板）時(shí)，您必須在整個(gè)系統(tǒng)中支持大約100 A的電流，包括在快速處理器上為I/O供電的電源軌。因此，識(shí)別并消除電源軌中的極端電流非常重要。Altium Designer中的CAD工具使每位用戶和工程師都能控制其電源完整性和交付策略。Altium Designer還提供與用于SI、PI和EMI/EMC仿真的前沿應(yīng)用的集成。當(dāng)設(shè)計(jì)完成并準(zhǔn)備將文件遞交給制造商時(shí)，Altium 365平臺(tái)可以輕松地協(xié)作并共享您的項(xiàng)目。聲明： 本文轉(zhuǎn)載自Altium公眾號(hào)，如涉及作品內(nèi)容、版權(quán)和其它問(wèn)題，請(qǐng)于聯(lián)系工作人員微（prrox66），我們將在第一時(shí)間和您對(duì)接刪除處理!投稿/招聘/廣告/課程合作/資源置換請(qǐng)加微信：13237418207

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