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深入浅出电源完整性

2018-12-02 11:33 EETOP

来源:  不忘初心的模拟小牛牛 公众号   及 EETOP BBS 

作者:131v1vv  

我们经常会听到的信号/电源完整性,那么电源完整性是个啥概念那,这一期我们就简单聊一聊。

先看对于图1(a)所示的电源供电系统,等效为理想电压源,RLC元件,负载组成的电路。也可更简单的等效为理想电压源和内阻Z组成的供电回路,当负载有动态电流需求时,在等效阻抗Z上会有一定的压降存在,包含了不同频率分量。

图1 

图1的供电模型的典型板级应用实现形式,如图2所示。板级电源模块(Voltage regulator module,VRM)通过印制电路板(Print Circuit Board,PCB)对焊接在其上的集成电路(Integrated Circuits,IC)提供电源。这里需要说明的是电流回路主要怎么样的,首先是VRM的电源输出经过过孔到达PCB的电源平面,通过过孔到达封装的管脚,再通过封装到达芯片的电源Pad(封装形式决定了封装内部的电源路径形式),通过芯片内部的电源网络到达器件端口,再通过几乎相似的地回路回到VRM地,从而形成完整的供电回路。

 图2

外部电源要经过供电路径上的不同组件才能到芯片内部,晶体管级端口得到的电压总是多多少少总会存在偏差。特别是对于高速电路和其他一些电源要求严苛的芯片,如纹波小于±5%或±3%的规格。电源的设计就面临着越来越大的挑战。

特别是Die内动态电源比较难以准确测量。实际芯片内部的电源环境可能会比较恶劣。举个不恰当的例子,就像上边要发财政补贴每人100块钱,经过几级的截留,实际到手可能只剩80块了。中间经过的多了,保不准就有损耗。

电源完整性(Power Integrity,PI)通俗理解就是给负载准确完整地供电。主要是通过评估和优化设计整个供电网络的阻抗特性,从而满足芯片内的供电需求,保证芯片的功能和性能。电源完整性其实是个系统工程。

图2中主要划分整个电源系统为四个部分,VRM,PCB Board,Package,Die。实际上主要从Board level,Package level和Chip level分别着重处理。

其实我们通俗对电源的要求主要体现在两方面:IR drop小、纹波小。也就是从DC和AC角度的要求。其实从频域上可以总结为在一定频段内需要保持较低的阻抗。这里就必须提到目前在电源完整性设计方便最基础最常用的目标阻抗(Target Impedance)法。

图3

在目标阻抗的计算中,有经验参考,负载瞬态电流Itransient可以选择为最大瞬态电流的一半。实际选择中需要综合应用环境,合理调整图3公式中的瞬态电流。


图4

实际上图2所示电源路径上的组件,可等效为图4所示的包含了电阻、电感和电容组成的串并联谐振的等效PDN网络模型。并且各部分能够负责“保持低阻抗”的频率范围也不相同。

这是因为很难具体知道某一时刻的负载电流的频率成分,所以无法做到"精准施策",采用“一刀切”的方式也未尝不是一种偷懒的解决方式。即在比较宽频率范围内,使从Die侧看向PDN网络阻抗小于预定值Ztarget。

图5

图5为焊接在PCB板上的一个FCBGA封装的例子。在封装中也使用了多层的PCB板,称之为封装基板。在基板上也存在去耦电容。

在整个PDN网络中,电阻和电感分布位置主要有,PCB走线和过空,电容器ESL和ESR,封装的键合线(bonding wire) ,凸点(bump)和锡珠(solder ball)等。

电容分布主要包括:分离电容器,电源平面间寄生电容,Die内分布电容等。如图6所示。

图6


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图7是一个典型的PCB或基板上去耦电容到电源地平面的连接剖面图。图中的电流回路,包含了电源地平面,过空,走线和电容器等电感和电阻,电感和电阻的阻抗频率特性,决定了需要尽可能减小其在供电通路上的影响。,比如通过改进优化电容的焊盘layout设计,电源和地平面的介质厚度等,将安装电感和扩散电感等控制在比较小的范围内。

图7

可是大多数时候优化电阻和电感的成本或代价会比较大。而相对来说,电容的操作空间就比较大了。电容具有和电感具有相反的阻抗频率特性。因此通过合理选择电容类型、型号、容值和分布位置,结合谐振电路的特点可实现比较优化的电源系统。所以才能看到图6中在不同系统层级上,会有不同的电容设计。

对于实际电容的模型,如图8。除了代表电容的符号C外,还有等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL),形成了串联谐振电路。谐振频率为fres=1/(2*pi*sqrt(L*C)),其中L和C分别是电容器的ESL值和电容值。在谐振频率处阻抗最小为ESR电阻值,低于频率fres呈现容性,高与频率fres呈感性。

图8

需要注意的是,尽管ESR电阻不影响谐振频率,但却影响品质因子Q,也就是谐振频率处的带宽。而在电容的去耦应用中,通常希望电容能够在一个较宽的频率范围内具有较低的阻抗,也就是品质因子Q不能太大。因此在电容选型时,ESR电阻是一个需要着重考虑的因素。

注意像图7的电容典型安装方式,实际电容的谐振频率还需要考虑安装电感,电阻等因素。会不同程度的小于电容的Datasheet上的标称值。

除了板级和封装上,Die内也要尽可能多的分布去耦电容,主要作用是负责降低高频阻抗。Die内电容多数是有源器件贡献的比如,专门做decap电容,器件工作状态相关的器件电容。另一部分可以看做是寄生电容,比如电源和地的Mesh网状结构的寄生,MIM、MOM等。

通常Die内电容会和bump、键合线、基板走线的寄生电感形成LC谐振。谐振频率位于中频位置,也就是在中频表现为比较大的阻抗,因此也称之为封装壁垒(Package barrier),也是为什么需要在中频通过基板或PCB来降低中频阻抗的原因。

图9为一个通过不同补偿电容的组合将PDN的阻抗在比较宽的频率范围内优化的阻抗图。

图9

想个问题,为什么越来越多的先进封装上,会在空间那么小的封装基板上挂很多电容,直接都放在PCB上不就行了吗? 这里就涉及到一个去耦半径的概念。

还记得传输线中我们讲到电信号在介质中以接近光速的电磁波传输,实际传播速度和主要和PCB材质的相对介电常数有关,如图10,电磁波波长λ和速度频率关系。

芯片内部瞬态电流造成的电压扰动(disturbance)到去耦电容感知到该扰动并响应需要一定的时间。该时间等于信号的一个“来回(round trip)”时间。当电容距离太远,超过波长的1/4λ时,电容的去耦效果就消失了。实际应用中电容安装距离应该越近越好,比如1/40的波长等。

图10

例如对于FR4材质,5Ghz的频率对应的波长为3cm。这时候就需要高频去耦电容距离Die的距离更近一些,特别是对于大尺寸(CPU,GPU,FPGA等)的封装,基板上的去耦电容是很有必要的。


而对于目标阻抗的仿真验证,有不同的EDA设计工具可以完成。如Cadence的Sigrity,Keysight的ADS以及其他EDA工具等。而实际板级的测量,在频域可通过网络分析仪(Network Analyzer)进行阻抗分析。在时域可通过示波器进行板级和封装上的电源测量。比如是德的高带宽电源探头可以协助验证电源完整性相关的问题,如图11所示。

图11

另外在PCB、基板和Die都要考虑电源相关的测试问题。只有比较准确的测试,才能协助分析定位问题。比如基板考虑对一些关键电源的测试点,Die内电源和地压降可通过模拟测试通道进行测试,如果有可能测试到高频分量更好。

       最后,推荐一篇如图12文章,是德联合PICOTEST提供了针对Xilinx 32G速率SerDes的电源供电网络的分析和优化思路,看后一定能够有所收获。

图12  

最后需要说明的是,电源的问题说小可小,说大可大,和芯片工作速度密切相关。作为芯片验证的重要条件之一(PVT),其实很多时候对性能的影响很难做到准确的评估。电源完整性对芯片性能的影响的认识不足,可能会误导设计和测试人员对于测试问题的判断,所以要未雨绸缪,多了解一点点,总没错的。

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