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1、 上海佳研仿真工作室期刊五上海佳研仿真工作室期刊五 -某某 CPU 小系统子卡小系统子卡 PI 改进案例改进案例 一、一、PI 改进背景改进背景 某 CPU 小系统子卡因板级电源分配系统设计糟糕，通过测试发现子卡上 3.3V IO 电源平面噪声较大， 已对子卡及主板内部的敏感电路和敏感信号形成了强干扰， 造成系统工作不稳定。 二、二、PI 改进分析改进分析 该子卡的板级电源分配系统由 DC-DC 电源转换模块、电源和地平面、板级分立电容、分立电感等组成。其中 3.3V 电源经连接器从主板取电，经测试对比发现，主板和子卡上的3.3V 电源平面上纹波噪声大小差别较大，其中子卡上的电源噪声大许多，特
2、别是频域的高频部分丰富且幅度较大。 通过对子卡的 PCB 进行检查发现，该子卡的板级电源分配系统设计存在以下不足： 1) 高速器件的去耦电容较少且容值分配不合理； 2) 去耦电容扇出方式的不合理带来了较大的寄生电感， 且部分高频去耦电容布放离高速器件电源管脚较远，已严重影响了分立电容的效果； 3) 3.3V IO 电源平面与参考地平面的耦合间距较大，造成 3.3V IO 电源平面阻抗较大； 其中第 3 条是 3.3V IO 电源平面噪声较大且高频分量较丰富幅度较大的主要原因，因为现有板级分立去耦电容的有效工作区间主要在 200MHz 以下的低频区间， 而电源和地平面组成的平面电容其有效工作区间
3、可由低频覆盖到几个 GHz 的高频区间。 图 1 为该子卡的层叠及层间距， 其中 POWER04 层为 3.3V IO 电源平面， GND05 为 3.3V IO 电源平面的参考地平面，两者之间的耦合间距为 11mil，为松耦合。 jiayanjiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan 图 1 子卡单板的层叠及层间距 因为该板布局布线密度都较高，
4、增加大量的分立电容不太现实； 同时增加大量的分立电容会增加物料和组装成本。 在对该板的板级电源分配系统进行优化时， 我们重点对叠层层间距进行了优化，如图 2 为优化后的层间距厚度，3.3V IO 电源平面与参考地平面耦合间距改为 4mil，为紧耦合。 图 2 子卡单板改进优化后的层叠及层间距 通过对改进前后的单板进行谐振分析和阻抗分析对比， 无论是相同谐振频点的谐振幅度还是相同位置的平面阻抗， 层间距优化后的板级电源分配系统的电源完整性得到了很大的改善。 图 3 为改进前的 859MHz 谐振频点二维平面图，其谐振幅度和 Q 值均较大。 jiayanjiayan jiayan jiayan j
5、iayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan 图 3 改进前的 859MHz 谐振频点二维平面图 图 4 为改进后的 882MHz 谐振频点二维平面图，该谐振频点为改进前的 859MHz 谐振频点漂移而来，相对于改进前的谐振幅度已得到了极大的改善。 图 4 改进后的 882MHz 谐振频点二维平面图 我们在单板改进前后的 3.3V IO 电源平面上相同位置添加 PORT 端口以进行阻抗仿真分析
6、，并对比单板改进前后的 3.3V IO 电源平面上相同位置的阻抗仿真结果。如图 6 为单板改进前的 VCC3V3_3 端口的阻抗；图 7 为单板改进后的 VCC3V3_3 端口的阻抗；图 8 为单板改进前后的 VCC3V3_3 端口阻抗拟合图。从图 7 的拟合图中我们可以直观看出以下几点： jiayanjiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan 图
7、 5 子卡阻抗端口添加位置图 1) 在 5MHz1.25GHz 频域区间内，改进后相对于改进前的 VCC3V3_3 端口阻抗有了较大的改善，特别是高频阻抗得到了较大的改善。 2) 阻抗极大点亦即谐振频点， 我们也可以从改进前后的阻抗曲线对比中直观看出， 改进后的谐振频点有所漂移，谐振幅度得到了较大改善； 3) 与图 3、图 4 的谐振分析结果进行关联分析，改进前的 859MHz 频点谐振幅度较大，改进后对应的漂移谐振频点 882MHz 其谐振幅度较小， 这在图 7 的拟合图中也可以直观体现。 jiayanjiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jia
8、yan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan 图 6 单板改进前的 VCC3V3_3 端口的阻抗 图 7 单板改进后的 VCC3V3_3 端口的阻抗 jiayanjiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan
9、jiayan 图 8 单板改进前后的 VCC3V3_3 端口阻抗拟合图 三、改进效果三、改进效果 我们仅仅对层间距进行了调整，经对回板后的改进版进行测试发现，改进后的 3.3V IO电源平面噪声得到了较大的抑制， 特别是频域的高频噪声得到了极大的抑制， 板内干扰及系统不稳定现象得以顺利解决。 上海佳研仿真工作室 http:/ jiayanjiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan jiayan
