采用 Celsius PowerDC 仿真分析8層高速核心板的IR Drop和過孔電流

當前數(shù)字系統(tǒng)的核心供電電壓越來越低，而總的工作電流和布線密度則越來越大，從而導致直流問題日益突出。為了設計一個穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)，PI 仿真中的 IR Drop 直流壓降仿真已被視作高速電路設計過程中不可或缺的環(huán)節(jié)之一。

IR Drop 指的是電源和地網(wǎng)絡上電壓的下降或者升高的一種現(xiàn)象，是指電路在直流工作時由直流電阻造成的電壓降。當前芯片的制作工藝已突破到納米級別，同時電路板上的走線也越來越密集，導致單位面積內(nèi)電流急劇上升，再加上芯片與芯片之間的金屬互聯(lián)線寬度越來越窄，這就使得整個電源網(wǎng)絡上的電阻值變大，當電源電流從電源端到達器件端時就會損失一部分電壓，因此在電源網(wǎng)絡的局部會存在一定的IR壓降。

在實際設計一個電路板時，常常由于電源網(wǎng)絡結(jié)構(gòu)設計不合理而導致許多的IR Drop問題。這些問題表現(xiàn)為：

（1）電路板上的器件由于過壓或者欠壓而不能正常的工作。

（2）局部區(qū)域電流密度過大，引起此區(qū)域溫度持續(xù)升高甚至燒

（3）I/O網(wǎng)絡上的電阻過大，導致有用信號的嚴重衰減。?

仿真案例

本文我們將采用 Celsius PowerDC 仿真分析8層高速核心板的IR Drop和過孔電流。

Celsius PowerDC 軟件是一款專門用于電源完整性分析的工具，主要用于確保可靠的電源供應。對于承受高電流且工作在低電壓條件下的產(chǎn)品，Celsius PowerDC 能提供精確的電性能分析。它能夠分析從VRM（電壓管理模塊）到 SINK（負載端）的直流壓降問題，這對于維持電源供應的穩(wěn)定性至關重要。同時，它還能提供過孔與平面電流密度分析，通過分析過孔和平面的電流密度，Celsius PowerDC 可以幫助設計者優(yōu)化布線，減少電磁干擾和提高信號完整性。并最終將分析結(jié)果以 2D 和 3D 的形式直觀展現(xiàn)，使用戶能夠清晰地看到電流流動、熱點分布和其他關鍵參數(shù)。

HI3516D是一塊8層高速核心板的芯片，主頻 0.9GHz，供電電壓 VDD_CORE 為1.1V；DDR3 數(shù)據(jù)頻率可達1.6GHz，接口電壓DDR_IO為1.35V/1.5V。

仿真過程

我們將根據(jù)實際選用材料，將軟件中的電路板板材設置為FR4，芯板介質(zhì)層設置為銅，過孔的銅壁厚度設置為1.4mil，填充材料使用SolderMask.以下為仿真結(jié)果，如下圖所示。

從電壓分布圖上可以直觀看出核心板電源模塊的分布位置及走向。主控芯片U4處的IR Drop最大為226.24mV，超出了芯片的DataSheet規(guī)定的浮動范圍，過大的IR Drop會造成U4的供電電壓不足，使其無法正常工作。

分析仿真結(jié)果，U4的供電電壓經(jīng)LDO轉(zhuǎn)換，由電感器輸出后有明顯的損耗，檢查電感器后發(fā)現(xiàn)是因為電感器自身的ESR過大造成了IR Drop過大。經(jīng)損耗后的電壓到達芯片U4處，由于該區(qū)域的電源網(wǎng)絡覆銅面積過窄，導致連線上的電阻值較大，從而使得此處的IR Drop進一步變大。根據(jù)IR Drop分析的結(jié)果，可以很快找出電源網(wǎng)絡的不合理之處，進行改進，從而確保整個系統(tǒng)的電源穩(wěn)固性。依據(jù)分析，選用更小ESR的電感器，并且對U4的電源網(wǎng)絡增加覆銅面積，如下圖所示，整板的IR Drop下降到最大41.10mV，得到了明顯的改善，滿足了主控芯片的IR Drop限值。

Celsius PowerDC 還可以進行對通過過孔的電流進行分析。在核心板的過孔電流分布圖上可以看到U11、U12電源處過孔的電流分別為1.172A和937.6mA。此處使用的過孔孔徑大小為10mil。過孔的通流能力的計算公式為：

常用且有效的解決辦法是在保證電路信號質(zhì)量的前提下：

1.增加過孔的數(shù)量：但要放置得當，避免形成瑞士干酪狀布局

2.增加過孔的孔徑：由于此處區(qū)域的走線過于密集，增大孔徑會導致與過孔附近的線短路，所以此處選擇在走線的間隙間添加過孔數(shù)量來進行優(yōu)化。

在U11、U12靠近GND引腳處，將回流過孔均增加到3個，共同分擔電流。如圖4所示，優(yōu)化后U11、U12的回流過孔上的電流分別降為最高556.6mA和501.4mA，效果顯著。

長久以來備受工程師喜愛的口碑工具 Sigrity PowerDC 已升級為 Celsius PowerDC，在原有 PowerDC 高效簽核 IC封裝和 PCB 的直流分析基礎上，整合了 Celsius 電熱協(xié)同仿真，最大限度提升精度。整合升級后的 Celsius PowerDC 可以快速精準定位過度的壓降，以及電流密度過大的區(qū)域和熱點，從而最大限度地降低設計故障風險。如感興趣，歡迎留言聯(lián)系我們~