《第四讲——电源完整性及相关设计》由会员分享，可在线阅读，更多相关《第四讲——电源完整性及相关设计（72页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、1 电源完整性及相关设计 融合电路与电磁场 主要指数模混合设计和EMI EMC设计 SI PI timing之间是互相影响的 2 电路抽象的层次 逻辑层 Logic Level 功能 行为描 述 如 HDL等 电路层 Circuit Level 求解 V I 方程 基于接点 使用 spice 集中或分布等效电 路 如 原理图 spice网表等 电磁层 EM Level 求解 Maxwell方程 基于物理结构 解决隐含原理图问题 如2D 2 5D 3D 场分析 可以将电路设计抽象为下面几个层次 1 逻辑层 Logic Level 功能 行为描述 比如HDL方式 设计 FPGA 2 电路层 Cir
2、cuit Level 求解 V I 方程 基于节点 使用 spice 集 中或分布等效电路 方式有原理图 spice网表等 关心信号的模拟 特性 3 电磁层 EM Level 求解 Maxwell方程 基于物理结构 解决隐 含原理图问题 关注器件位置的远近 平面分割 信号回路 滤波 电容的特性等 方式有2D 如传输线分析 2 5D 如FEM分析 3D场分析 典型软件是ANSOFT公司的HFSS 关心电磁波在 PCB中的传播 分析问题时将电路层和电磁场层结合起来 可以解决大部分问题 3 隐含原理图的负面影响 电路的信躁比 SNR 电路的不确定性 timing amplitude uncertai
3、nty EMI EMC ESD 需要多考虑一些隐含的东西 如滤波等 4 常见工程问题 复杂数模混合PCB的电源 地分割与连接 噪声耦合的路径分析 去耦电容的选择与放置 过孔的设计与放置 电源平面的滤波 通道与通道之间的干扰与不匹配 BER EMC EMI ESD等可靠性指标问题 常见的工程问题主要有 1 复杂数模混合PCB的电源 地分割与连接 2 噪声耦合的路径分析 电子元器件通过电磁场相互影响 可能是信号线 也可能是平面会 藕合噪声 3 去耦电容的选择与放置 要根据我们关心的频率范围内的电源平面的目标阻抗 来选择电容 的种类 电容的位置摆放也有讲究 具体要根据仿真结果来定 4 过孔的设计与放
4、置 过孔理论上电容越小越好 但工艺水平不容许 所以只能优化 在 高速系统中 过孔是EMI的激励源 并且会影响整板供电系统的稳 定性 5 电源平面的滤波 作用是降低噪声 使电源保持较宽频带内的稳定 波动控制在芯片 正常工作允许范围内 6 通道与通道之间的干扰与不匹配 7 BER EMC EMI ESD等可靠性指标问题 有时整机的功能和性能都非常好 但EMI却严重超标 不满足电子产 品的可靠性要求 5 融合电路与电磁场分析 电路分析与电磁场分析都不能单独解决 问题 融合电路与电磁场 a EM simulation with circuit elements like simple sources
5、passive devices and even real active device models b Circuit simulation with EM element models like s parameter black box 通过融合电路与电磁场分析来解决前面提到的问题 1 电流激励产生电磁场 反过来电磁场又影响电路的工作状态 电路 分析与电磁场分析都不能单独解决问题 2 融合电路与电磁场 目前有2种手段 a 在电磁场仿真中加入电路元素比如简单的激励源 无源器件 甚 至是有源器件模型 从发展趋势来看 这种方法更有前途 b 电路仿真中加入电磁场仿真的元素 比如将描述物理结构和电
6、路 高频特性的S 参数作为黑匣子子电路导入 6 电路与电磁场在PCB中的互动 融合电路与电磁场分析 续1 如上图所示 信号通过过孔在不同平面之间切换 当信号线上有交变 的电流时 周围产生磁场 沿跟信号线垂直的方向传播 电磁场感应 引起平面波动 又会影响其他信号线 7 融合电路与电磁场分析 续2 分析PCB必须将电路分析和平面分析 电磁场求解器 结合起来 才 是符合真实情况的 如图所示 Plane Solver从两个角度来分析 1 平面波动引起电磁波动从而影响信号线 2 信号线电流激励产生电磁场从而影响平面 8 融合电路与电磁场分析 续3 图为平行平面的电磁场模式 9 融合电路与电磁场分析 续4
7、 图为传输线的电磁场模式 10 PCB的电磁场分析法 2 5D FEM 自适应网格剖分 适用前提 PCB平面间距小于波长 1 2 5D FEM的自适应网格剖分 分析平面问题一般不用3D工具 太复杂 难使用 2D也不能用于平 面分析 2 5D工具具有如下特点 平面上能识别 并分层 符合 PCB特征 其原理是FEM and adaptive refinement 有限元分析和自 适应网格优化 2 适用前提 PCB平面间距小于波长 根据公式 v f可知 信号波长在几十厘米数量级 而PCB板厚在 几个毫米的数量级 所以假设成立 分析方法可行 求解器会自动 在电磁场活跃的地方设置较密的有限元网格 分析的
8、比较详细 11 电路的SPICE分析法 Spice HSPICE Maxwell Spice PSPICE HSIM etc Spice elements R L K C MOS V I W U T G S etc Spice analysis DC AC TRAN FFT NET Spice lib SUBCKT MACRO inc lib 1 SPICE的种类 SPICE主要有 HSPICE Maxwell Spice PSPICE HSIM etc 其中HSPICE是Synopsys公司的产品 是电路仿真的权威 它的模型全 精度高 可以识别所有器件 甚至是加密模型 并且它有独一无二的W
9、element 用于传 输线仿真 对板极仿真而言 精度非常高 2 Spice elements Spice主要由element组成 主要有R L K C MOS V I W U T G S etc 顾名思义 分别代表电阻 电感 电容 MOS管 电压 电流 传输线 理想传输线 等效电路 S 参数等电路组成部分 其中G element可以作时域的瞬 态分析 S 参数可以求解频域波形 3 Spice analysis DC AC TRAN FFT NET 分别代表直流工作点分析 交流频域分析 时域 瞬态分析 傅立叶分析 网络分析 4 Spice lib SUBCKT MACRO inc lib 用来
10、描述SPICE电路的组成部分 都是文本的形 式 有子电路模式 比如IBIS模型也可以作为B element导入 成为SPICE的部分 子电路 inc是厂家给的加密SPICE模型 同样可以识别 另外 分析时注意SPICE ZERO 它是真正的零点 在两个SPICE ZERO之间没有 回路的作用 完全等同 Cadence的SigXplor无法仿真回路的原因是在SigXplor中 发射和接收之间用的是真正的SPICE ZERO 12 S Z 参数基本概念 在信号或平面上设置端口port 作为观察点 有点类似示波器的probe 并将端口分成入射a线 出射b线 S 参数表示同一端口a到b之间能量传 递的
11、比例关系 或者不同端口之间能量的传递关系 它的作用是可以 根据波形直接判断出PCB板上某点的高频特性 以及相互之间的影响 关系 S参数可以转化成全波SPICE 作为G 参数子电路导入HSPICE中 求解 Z 参数则表示端口上电压 电流的关系 13 S Z 参数基本概念 续1 S Z矩阵 14 S Z 参数基本概念 续2 S Z端口示意 15 S Z 参数基本概念 续3 S参数的定义 16 S Z 参数基本概念 续4 17 S Z 参数基本概念 续5 全波Spice模型 18 PCB电磁场分析方法 PCB 谐振分析 PCB 交流激励源分析 PCB 网络参数分析 S Z参数 全波SPICE等效电路
12、分析 1 PCB 谐振分析 根据PCB叠层分布 去耦电容的大小位置 以及电源平面的分割等因素求解电源 地 之间随频率的波动情况 因为PCB可以看作一个腔体结构 不同频率的电磁波在 内部传播的过程中会碰到过孔 从而发生反射 造成局部振荡 如果在谐振点施 加激励 还会远程耦合到其他的谐振点 则会使PCB板电压 地平面发生剧烈振荡 导致电路不能正常工作 我们观察波动剧烈区域 并调整上述影响因素 来减小 波动 保证PCB在一个宽频带内的稳定 这种分析方法不含激励源 有源器件不包含在分析中 只关心叠板等因素 目的是 取出PCB上波动大的点 将激励源放在波动小的点上 2 PCB交流激励源分析 一是在信号线
13、或平面上施加电流激励 来观察电源 地平面的波动 二是在数字电 源平面上施加激励 观察模拟电源平面的波动 这种分析是通过直观的图形在设 计的初期对PCB做定性分析 3 PCB网络参数分析 S Z参数 S 参数如前所述可以求出端口之间的 Z 参数可以通过在平面上加port 求解阻抗 随频率的变化曲线 根据目标阻抗的要求调整电容大小和位置 平面分割 叠层 设计等影响因素 通过在PCB上定义端口并得到端口的S Z参数 做成图表 通过图表得到定量特性 4 全波SPICE等效电路分析 在若干观察点处设置port 将PCB的物理信息包容进一个等效电路中 然后添加电 路元件如R L C V I等观察各种时域波
14、形 是一种定量分析方法 19 电源分配系统 PDS PCB的电源分配系统实际上由开关电源 大容值的钽电容 小容值的 高频电容 以及PCB的电源 地平面组成 他们都是储能部件 作用的 频率范围不同 响应速度各不相同 其中板间电容最小 但响应速度 最快 高频特性好 并且将电磁场能量控制在板内 如图所示 20 POWER SUPPLY AC DCEMI Filter EMI Filter DC DCDM CM Power Filter Power And GND Plane ICIC 电源分配系统 PDS 续1 接下来我们看一下供电系统的结构 首先市电进来 通过EMI滤波 变成直流 再通过EMI滤波
15、 输给开关电源 再进行共模和差模滤波 得到我们想要的电源 进行平面滤波 再供给IC 21 Lout Rload AC D1 D4D3 D2 Cin Q1 T1 D5 D6 Cbulk R1 L1 D7 电源分配系统 PDS 续2 再来看开关电源的结构 对DC DC结构有所了解 有助于解决某些 EMI问题 如传导发射等 开关电源的内部结构如图所示 主要包括整流 开关管 变压器 蓄 流二极管 滤波 负载 需要关注Q1和L1相连的节点a 该处有两倍电源电压的变化 假如是二 次电源48V 则a点有约100V的电压跳变 根据公式I C dV dt 电感上 有很大的交变电流 回路如果很大 将成为开关电源最
16、大的EMI辐射 源 建议该处面积做小 并在MOS管的栅极串联10欧姆左右的小电阻 或磁珠来抑制EMI 同样D5和D6相连的b点也是传导类EMI的主要辐射源 要求D5 D6选 择无跳变的特性较好的二极管 并把该处面积做小 22 50 AC source 1m 50 Lout 1m ESL ESR C 输入纹波滤波电容 通过晶 体管绝 缘电容 耦合 电源分配系统 PDS 续3 图中显示了各电流路径 23 电源输入的共 差模滤波 LC Filter Networks Zg Zl 根据最大阻抗不匹配原理来滤除噪声 即如果是低阻抗端要接电感 高阻抗端接电容进行匹配 具体可做一阶滤波 二阶滤波等 如下表 所示 24 Zl Zg 高 低 高低 Zl Zg 高 低 高低 电源输入的共 差模滤波 续1 表中显示了具体的滤波方法 25 电源输入的共 差模滤波 续2 26 电源输入的共 差模滤波 续3 图中显示了电源的共模和差模滤波方法 使用X电容来实现差模滤波 共模滤波因为共模噪声具有大回路的特点必须采用高磁导电率的共模 电感 在噪声点产生大电阻 阻隔噪声 一般使用Y电容实现共模滤波 X Y电容要符合安规
