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电源完整性仿真让电路板更完美(3)

电源完整性仿真让电路板更完美(3)

本帖最后由 best1538 于 2018-1-15 12:38 编辑

数字芯片要求有大的电流,这可能造成直流电源的供电问题(参考文献2)。FPGA和其它数字芯片都需要很多种电源电压,因此,必须将电源层分割开,以提供多个电压轨。数字芯片还有几百个管脚,需要数百只过孔,会覆盖电源层和地层的广大铜箔区域。必须确保在为这些层所选择的铜箔上,电流密度保持低于某个合理值(图5)。
高的直流电流也会造成热问题。铜的温度系数为0.4%/°C,即温度每升高25°C,电阻增加10%。这种电阻的增长出现在沉重负载下,此时可靠性非常关键。电阻的增长亦使温度升高,减少了电路板上元器件的寿命。
一旦有了充足的铜箔提供直流负载,就要注意电源层的交流设计(图6)。电源完整性仿真能够检查返回电流流经电源层的位置。在运行时,一只数字芯片获得的电流强度是不同的,而且以纳秒为单位变化。电源系统必须有足够低的交流阻抗,能随电流而变化(表达式为di/dt,即电流导数/时间导数),从而不致使芯片管脚的电源电压发生大的变化。由于di/dt也会发射电磁能量,这些偏移可能造成EMI问题。因此,信号完整性、电源完整性和EMI符合性都是相互关联的。如果没有仿真,你的设计就可能出现过孔间的串扰和其它似乎莫名其妙的问题。
软件选择
一个电源网络的实际几何尺寸对其性能非常重要,因此大多数软件供应商都在自己的电源完整性工具中使用了场解算器技术(参考文献3)。
这些工具应能给你一个快捷答案和精确的结果。RF-IC与系统设计者一般使用全波场解算器,解3D的Maxwell方程。不过,3D场解算器要花很长时间才能得到结果,尤其是用于相对较大的物理项时,如PCB板。因此,电源完整性供应商在自己的电源完整性工具中设计了混合型解算器技术。在解算走线时,这些工具采用一种利用传输线理论快速技术的2D解算器。在仿真平面时,工具可以使用2D或2.5D的有限元技术。在某些情况下,软件可以用一种集总参数元件的电容和电感模型,为过孔建模。要获得更精确的结果,工具可对过孔采用一种全波3D解算器。
另外,还可以采用一种全波解算器去仿真3D结构的效果,如连接器管脚以及电源路径中的其它机械器件。软件供应商还在自己工具中置入了热分析功能。可以单独使用它,或将热量信息输出给一个专用的热分析工具,如Mentor Graphics公司的FloTherm,这是一个CFD(计算流体动力学)的3D仿真环境。Mentor公司的HyperLynx仿真工具可以做自己的热分析,并将结果输出给FloTherm,这样就可以建立整个系统或一个机箱的热性能模型。
Agilent公司重新发展了自己的ADS(先进设计系统)Momentum产品,它能针对有极多过孔的电源层和地层,提供仿真结果。它还能用于功率层有少量走线的设计。MOM(矩量法)是针对多层结构的最快仿真方法,它能解算全3D场,包括Maxwell方程中的全部项。这种全波方案考虑了法拉第定律的高频效应,以及Maxwell为Ampère方程增加的代换电流项(参考文献4)。用MOM仿真大型层面非常耗时,因此Agilent公司发明了一些算法,可以减少获得精确结果所需要的时间。Agilent公司高速数字产品拥有者Colin Warwick说,工具采用了一种树/协作树(tree/co-tree)方法,可一直用到直流。
另外也可以对平面部件,采用 集总参数分析方法。NEC公司的PIStreamn软件将平面建模成为集总参数的矩阵,使之适用于使用Spice引擎和其它集总参数技术的分析。对于一个平面,软件会使用PEEC(部分元等效电路)技术,生成一个RLGC(电阻/电感/电导/电容)的等效物。软件同时会为过孔和电源层与地层之间形成的空腔建立集总参数模型(图7)。软件还会采用一种串联RLC(电阻/电感/电容)模型,为去耦电容建模,这个模型综合考虑了电容器的寄生电阻与电容以及扇出走线和过孔的寄生电阻与电感。你可以通过建立仿真运行,快速完成单一板对的分析。当改变设置时,软件将做一个考虑到全部相关板面的多层分析。
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