ARM11核心板电源完整性探讨范文

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《电子器件杂志》2014年第三期

1电源完整性仿真参数的分析

1．1直流参数在PCB设计中，由于平面层的分割，不理想的电流路径和各种过孔、信号线的分布，PDN的直流特性将受到影响，表现为PDN的输入电阻以及电流密度增大，而输入电阻过大将导致电源平面电压的降低，所以对电源平面直流电压分布的仿真有利于改善PDN的输入电阻;而电流密度过大一方面会增加PDN输入电阻上的压降，另一方面会降低元件寿命，所以对电源平面直流电流分布的仿真也有利于改善PDN的直流特性。

1．2交流参数地层和相邻的电源层形成波导结构，该结构会产生谐振模式，在谐振模式处电源平面电压将发生较大波动，通过在电压波动最大的地方放置合适的去耦电容，可以消除该谐振模式，所以对电源平面谐振分布的仿真有利于改善PDN的交流特性。而目标阻抗法是PDN的典型设计方法，当PDN的输入阻抗小于目标阻抗时，电压波动就会小于电源噪声容限，所以对PDN的输入阻抗进行仿真，通过减小PDN的输入阻抗也可以改善PDN的交流特性。

2电源完整性仿真分析

2．1仿真软件介绍AnsoftSIwave采用全波有限元算法，对于信号完整性和电源完整性分析，SIwave可以准确分析从直流到10GHz带宽的电气参数。通过全波电磁算法直接抽取走线和电源网络的变频电气参数，可以容易定位SI、PI和EMI的问题所在。

2．2直流参数仿真分析(1)进行直流电压分布的仿真，调整前电源平面直流电压分布如图4所示，发现1．2V电源平面电压偏低，需要调整布局布线，即通过减小布线的长度、加粗布线的宽度、增加到电源平面的路径等措施降低1．2VPDN的输入电阻，调整后电源平面直流电压分布如图5所示，调整前后直流电压分布的仿真结果如表1所示，可见1．2V电源平面直流电压分布得到改善。(2)进行直流电流分布的仿真，调整前电源平面直流电流分布如图6所示，橙色部分电流密度偏大，需要调整布局布线，即通过敷铜增加和分散VRM到电源平面的过孔，使注入电流平均分摊到电源平面上，也可将电流密集区的过孔移至电流稀疏区以增加载流截面积，调整后电源平面直流电流分布如图7所示，调整前后直流电流分布的仿真结果如表2所示。

2．3交流参数仿真分析(1)进行谐振分布的仿真，发现电源地平面之间存在398．6MHz的谐振模式，对应的谐振分布如图8所示，图中上半区域为3．3V电源平面，处于谐振的波峰位置，如果谐振被激发，将会影响CPU的正常工作，需要设计低阻抗的PDN去耦网络来消除这个谐振模式。(2)进行PDN的输入阻抗仿真，CPU的3．3V引脚允许的电压波动为0．3V，CPU最大工作电流约为1A，计算得到3．3VPDN的目标阻抗为0．6Ω，CPU最大工作频率为667MHz，所以3．3VPDN的输入阻抗在667MHz内应小于0．6Ω，3．3VPDN的输入阻抗如图10所示。图10中上面曲线为调整前3．3VPDN的Z参数曲线，在165．8MHz开始输入阻抗大于0．6Ω，极大点397MHz、467．3MHz为3．3VPDN的谐振频率，放置相应谐振频率的电容以降低3．3VPDN的输入阻抗，选取电容如下:0．33nF、0．39nF、0．82nF、1．8nF、3．9nF、1μF，图10中下面曲线为调整后3．3VPDN的Z参数曲线，在929．6MHz内输入阻抗都小于0．6Ω。3．3VPDN的输入阻抗满足要求，且不存在谐振频率，如表3所示。放置电容后电源平面谐振分布如图9所示，整个电源平面的电压波动已符合要求。

3结束语

在高速电路设计中SSN对电源完整性影响很大，必须采取有效措施减弱SSN对芯片电源电压和信号线电压带来的影响。对于arm11核心板，通过减小布线的长度、加粗布线的宽度、增加到电源平面的路径等措施，电源平面直流电压分布得到改善;通过敷铜增加和分散VRM到电源平面的过孔，以及将电流密集区的过孔移至电流稀疏区以增加载流截面积，电源平面的直流电流分布得到改善;运用目标阻抗法，在电压波动最大的地方放置合适的去耦电容，削弱了电源地平面之间的谐振，使得整个电源平面的电压波动符合要求。文章的不足之处是没有深入研究去耦电容的选取方法，在今后的学习工作中仍需继续探究。

作者：沈敏吴明赞李竹单位：南京理工大学自动化学院