PI电源完整性仿真仿真分析

日期:2018-05-26 / 人气: / 来源:www.gyxpcb.com

1 仿真内容
 
序号
电源信号名称
仿真内容
1
3.3V
1.IR Drop分析
2.谐振模式分析
3.阻抗分析
 
2模型资料/文件
 
文件/器件
模型/文件
PCB文件
XXXX.brd
原理图
XXXX.pdf
电容模型库
参考XXXX器件库模型参数
 
3 仿真内容描述
1)IR Drop 分析:
仿真电源平面层的直流电压降,以及过孔、铜皮的电流密度与电流方向,考察平面层的载流能力。
2)谐振模式分析:
在预布局设计阶段进行谐振模式分析,可以考察当前的叠层结构、平面分割和初步去耦设计是否合理。通过改变叠层结构、平面分割以及去耦电容,可以改变谐振的频率和分布,尽可能的不要将关键的器件和走线落在与之工作频率相关的、谐振较大的平面之上。后仿真中,若关键器件放在谐振点上,在相应位置添加去耦电容器,改变谐振特性,从而满足电源分配网络(PDN)的要求。
3)阻抗分析:
    通过添加各类去耦电容器,使PDN在一定频率范围内满足目标阻抗的要求,以使负载芯片在电压波动允许的范围内得到持续、快速、稳定的电流供应,从而保证系统供电的可靠性和良好的噪声抑制。
4  PCB叠层参数
5  PDN分布关系
根据原理图设计,待分析的PDN以及电流消耗大致情况如表1所示。表1中忽略了一些功耗很小的芯片。
表1 PDN分布关系列表
电源网络
供电模块
供给芯片
电流消耗
总计
电流
3.3V
X1、X3
D27à转1.0V_V6A_N
IMGTAVCC=56.1mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
13.9A
D29à转1.0V_V6A_S
D28à转1.2V_V6A_N
IMGTAVTT=55.9mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D30à转1.2V_V6A_S
D31à转1.0V_V6B_N
IMGTAVCC=56.1mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D33à转1.0V_V6B_S
D32à转1.2V_V6B_N
IMGTAVTT=55.9mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D34à转1.2V_V6B_S
D35à转1.0V_V5_L
IMGTAVCC,GTX电流约为1.2A,效率70%,所以VRM输入电流约为0.5A
D37à转1.0V_V5_H
D36à转1.2V_V5_L
IMGTAVTTTX+IMGTAVCCPLL,GTX电流约为0.7A.,效率80%,故VRM输入电流约为0.3A
D38à转1.2V_V5_H
D45à转1.0V_V6A
供V6的内核,输出15A,效率85%,输入电流约5.35A
D46à转1.0V_V6A
D49à转1.0V_V6B
供V6的内核,输出15A,效率85%,输入电流约5.35A
D50à转1.0V_V6B
D17-D22(TXB0105PWR)
持续输入电流约为0.1A,共计0.1A*6=0.6A
 6 IR-Drop 仿真
根据负载芯片电流消耗情况,观测电源平面各点的DC压降情况,以及电流密度是否超出铜皮的载流能力等,各个电源网络的详细分析图如下:
1)3.3V电源网络
平面DC电压分布图(第10层):
..........
平面电流密度分布图(第10层):
..........
问题点:电流密度局部过大_第10层_最大129.8A/mm2
..........
问题点具体位置:
.......................
总结:根据以上仿真结果可见, 3.3V电源网络有部分地方表现出比较大的电流密度,建议将相应地方的宽度加大或增加过孔数量,从而改善电流密度分布情况。备注:电流密度判断标准见附件“平面载流能力说明”。
7 平面谐振分析
良好的PDN设计应保证在谐振频点上无此谐振频率的激励源或者信号走线,如果有则建议在谐振点添加此频率的去耦电容来改善谐振状况,从而将因平面本证谐振引起的电源弹、地弹减小到最小。
................
说明:在上图红色平面出现谐振较大的现象,谐振幅度为正负0.99V,根据芯片摆放位置情况可知,在这处有可能会出现403MHz左右的激励信号源,从而引起平面在此频率处的谐振,造成电磁辐射和SI、PI问题。建议在此处增加高频去耦电容器,如0402  X7R  390pF  ESL=0.45nH。数量可以选择1-2颗。
8 电源网络阻抗分析
报告中采用基于频域目标阻抗的方法来评估电源网络的性能。目标阻抗的定义如下:
 
其中,Voltage_tolerance是电压噪声容限,一般为供电电压的5%;Transient_current为芯片正常工作时的瞬时电流,如不知道这一数值可按照最大电流的一半估计。 按照这一方法,设计目标就是在一定的频率范围内,使电源网络的阻抗不超过目标阻抗。如果在某些频点或者频段阻抗超标,可以添加相应的电容器进行去耦。由于封装电感等寄生参数的影响,PCB板级的去耦频率上限一般为200MHz,高于这一频率需要封装内或者die上的去耦电容。
表2 PDN目标阻抗
电源网络
供给芯片
电流消耗
电源网络
瞬时电流
目标阻抗
3.3V
D27à转1.0V_V6A_N
IMGTAVCC=56.1mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
13.9A
0.012ohm
D29à转1.0V_V6A_S
D28à转1.2V_V6A_N
IMGTAVTT=55.9mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D30à转1.2V_V6A_S
D31à转1.0V_V6B_N
IMGTAVCC=56.1mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D33à转1.0V_V6B_S
D32à转1.2V_V6B_N
IMGTAVTT=55.9mA*20=1.2A,效率80%,所以VRM输入电流约为0.45A
D34à转1.2V_V6B_S
D35à转1.0V_V5_L
IMGTAVCC,GTX电流约为1.2A,效率70%,所以VRM输入电流约为0.5A
D37à转1.0V_V5_H
D36à转1.2V_V5_L
IMGTAVTTTX+IMGTAVCCPLL,GTX电流约为0.7A.,效率80%,故VRM输入电流约为0.3A
D38à转1.2V_V5_H
D45à转1.0V_V6A
供V6的内核,输出15A,效率85%,输入电流约5.35A
D46à转1.0V_V6A
D49à转1.0V_V6B
供V6的内核,输出15A,效率85%,输入电流约5.35A
D50à转1.0V_V6B
D17-D22(TXB0105PWR)
持续输入电流约为0.1A,共计0.1A*6=0.6A
3.3V_V5
D3(V5)
V5的3.3V I/O电流约3A
3A
0.055ohm
1)3.3V电源网络
...........
对于DC-DC电源芯片,其响应频率最高到几百KHz,所以报告中阻抗分析到1MHz。上图中蓝色横线定义了3.3V网络的目标阻抗,可见在1MHz频率范围内,芯片D31处的阻抗满足要求
2)3.3V_V5电源网络
...............
3.3V_V5网络给V5 FPGA相应I/O供电,根据总线速度阻抗需要分析到100MHz,这里分析到板级上限200MHz。从上图可见,在高于50MHz时阻抗超过了目标阻抗的要求。建议在D3附近添加SRF(自谐振频率)更高的去耦电容器,下面给出一些参考值,数量要根据具体类型的ESR来选取。原理图中主要是使用了0.1uF的电容器,SRF在25MHz左右,如空间有限可以去掉一些,换成更高频率的电容器。
0402  X5R  2.2nF  ESL=0.45nH  SRF=170MHz
0402  X5R  4.7nF  ESL=0.55nH  SRF=100MHz
0402  X7R  22nF  ESL=0.45nH  SRF=50MHz
 
附件1:DC-DC芯片输入电流计算

【格亚信电子】是专业从事电子产品设计、电子方案开发、电子产品PCBA加工的深圳电子方案公司,主要设计电子产品包括工控、汽车、电源、通信、安防、医疗电子产品开发。

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作者:电子产品设计


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