Allegro PCB设计PDN仿真简介（中）

2.2 直流压降分析当电流通过有一定阻抗的导体时，会在导体两端产生一定的压差。由于这个压降完全是由导体直流电阻引起的，我们称这个压降为直流压降（IRDrop）。根据欧姆定律，直流压降由导体阻值和在导体上流动的电流所决定。随着芯片工艺的进步以及集成度的提高，芯片对电流的需求在不断增加，同时，芯片供电电压在不断降低，相同的直流压降在整个PDN 裕量中所占的比例越来越大，使得PDN 设计人员不得不考虑直流压降对PDN 性能造成的影响。直流压降分析的主要目标是：1. 优化关键器件位置2. 定位电流分布热点3. 确定电源模块感应线位置4．定位高阻抗区域及高温升区域对于简单几何形状导体，可以通过简单计算得到导体阻抗值，对于复杂导体，不得不借助于仿真工具得到精确值。借助内嵌于Allegro PCB SI 的直流压降分析模块可以直观而快速的得到压降，温升和电流密度等信息。图2 和图3 分别显示了用Allegro PCB SI 得到的电压分布和平面电流分布。图2 电压分布图3 平面电流分布2.3 交流分析大多数芯片对电源的要求以允许的最大波动为指标，PDN 看起来是一个时域问题，但是在时域中测量容易引入干扰，并且很难激励有源芯片的最大电流。除电源模块和最终负载，PDN 组成元件都是无源器件，相比于有源器件，在频域下有更好的稳定性。综合以上原因，使得在频域下进行PDN 的设计，在时域下进行PDN 的测量验证更加简单有效。2.3.1 目标阻抗及最大有效频率我们可以通过如下公式确定PDN 的目标阻抗，各个参数都可以从芯片手册中得到，需要注意的是这里的电流指的是描述芯片工作所需最大电流与最小电流之间差值的动态电流。可以从芯片功耗计算出最大电流，通常，可以假定动态电流为最大电流的一半进行计算。如果芯片厂商提供了芯片所需电流变化曲线，可以通过傅立叶变换将时域下电流转化为频域下电流变化曲线，代入上式，可以得到更准确的随频率变化的目标阻抗，这将使PDN 设计有更多裕量。由于芯片封装和板上分布电感的存在，限制了板级PDN 的有效频率。在某个频率点之上，芯片片内电容将有效的降低PDN 阻抗。在极低目标阻抗PDN 设计中，板级PDN 的有效频率很难达到百兆赫兹，这时需要知道芯片片内电容开始起作用的准确频率。2.3.2 板上电容选择方法板上电容种类，数量及位置的选择是PDN 设计的重要步骤。当前，主要有三种电容选择方法：频域目标阻抗法、大“V”法以及十倍法。频域目标阻抗法通过选择一系列不同容值电容得到多个谐振点，多个谐振点之间保持较近的距离从而得到一条相对平滑的阻抗曲线。大“V”法在整个频带上只选择一种电容，通过增加此电容的数量降低谐振点位置以及阻抗曲线的感性部分，增加容性部分以达到目标阻抗的要求。十倍法是指选择容值相差10 倍的一组电容均匀的分布于整个频带上，在没有精确仿真工具的帮助时，这种方法可以有效而快速的完成电容的选择。2.3.3 抑制反谐振PDN 中的任意两个不同部件都会产生反谐振，发生反谐振时所产生的谐振峰值极大的拉高了PDN 的阻抗，影响PDN 的性能。如上节所述三种电容选择方法，如果不考虑电容与电源模块及芯片封装间谐振，三种方法都可以满足设计要求，但是考虑电容与PDN 中其它组成部分间的谐振，不一定每种方法都可以满足要求。抑制反谐振是PDN 设计中的重要内容，通常，减少电源/地平面间介质厚度可以有效的抑制PCB 模态谐振。