一期一会 | 什么是电源完整性？

电源完整性PI属于电子工程领域专注于确保电子系统的电源输送网络PDN在整个系统中可以有效地提供稳定的电源。为了可以正常工作印刷电路板PCB、集成电路IC和IC封装需要持续稳定的供电电压以及最小的电压波动。同时还不能干扰信号并且最大限度地减少因发热而损耗的能量。因此设计中需要满足电源完整性从而提供可靠的信号完整性使器件能够在可接受的温度范围内运行并最大限度地降低功耗。工程师使用各种软件工具和物理测试来评估、修改和改进电子系统中的电源输送网络通常也称为电源分配网络。电源完整性与信号完整性密切相关而工程师通常会对两者同时进行分析。随着电子系统变得更小、更复杂、电源要求更严格以及频率越高电源完整性的重要性和挑战也日益增加。为什么电源完整性很重要乍看起来相比于电子电路设计其他领域的复杂性提供可靠的电源似乎相对简单。只需将器件连接到电源设置正确的电压然后为信号提供电源供电即可。然而现实情况要复杂得多。电子的移动会产生磁场从而干扰其他电路或由于电阻而导致功率损耗。这就是为什么工程师都会在设计流程中尽早分析电源完整性以发现任何潜在问题。现代电子产品十分复杂涉及多个组件、层和互连因此提供适当的电压变化范围极具挑战。现代电子产品是复杂的多组件装配体包括多个层、层间过孔以及器件之间的复杂互连。它在宽频范围内不仅传输直流电源同时也传输信号。为了帮助我们理解电源完整性的重要性我们不妨从三种主要类型的电源完整性问题入手。电源电压变化外部交流电源或直流电源给电子系统供电。电源芯片将输入电压转换为所需的系统直流电压。但是这种电源开关会引起瞬态电压变化由于电源网络中电感的影响导致供电电压的峰值变化这也被称为电源噪声或纹波。引起电压波动的另一个原因是电流需求的快速变化。比如晶体管从0状态切换到1状态通常由时钟信号触发是产生动态电流的常见原因。设备PDN中的稳压器模块VRM无法立即对电流变化做出响应这可能会导致电压出现尖峰或下降称为电压纹波。举个比较好的例子当微处理器从闲置状态转变为繁重计算状态然后再返回闲置状态时就会导致明显的电源波动。这种波动会同时影响PDN的电源和回流路径。电磁干扰EMI电源或接地电压的任何变化都会产生电磁波从而干扰周围电路。同样地高频数字电路或AC电路产生的信号也会干扰电源。这种串扰即电磁耦合会直接影响信号完整性。如果串扰在设计阶段早期并没有被工程师发现和消除则其可能会出现在后续所需的电磁兼容性EMC测试中如果在该测试中仍未被捕获则串扰将会在器件运行过程中导致信号完整性问题。功率损耗电源电路中的导电性不足会导致PDN中的压降。当电流遇到电阻时会由于热量的产生而损耗功率。这就是为什么PCB和IC封装设计中必须确保电源层、电源过孔以及回流路径具有低阻。克服各种电源完整性问题是当今高速设计的关键而这些设计支撑着现代社会中高性能电子系统的运行。如果没有适当的电源完整性产品可能过热或出现信号完整性问题从而导致性能不佳、甚至组件故障。电源完整性的关键因素是什么电子系统中的PDN主要是由PCB或IC封装中的导电路径和电源器件组成。PDN不仅包含电源传输路径还包含低阻抗的返回路径。希望了解电源完整性的工程师应当考虑以下PDN性能的关键因素电源轨将特定电压分配到电路元件的导电路径被称为电源轨Power Rail。在PCB设计中这是指将电源分配到电路板上的不同层然后再返回到地的导电路径。“rail轨道”一词来自于早期的模拟电气设计其中电源是实际的导电金属轨道。电源层PCB包括柔性PCB由导电材料或绝缘材料的交替材料层组成。垂直的空心导电柱被称为过孔可连接层叠中的不同导电层。负责为信号处理层提供电源的层被称为电源层。由于层厚度是固定的电源层上的导电材料的载流能力由导电走线的宽度决定。如果走线不够宽局部电阻会因焦耳加热而产生功率损耗。回流路径和接地平面电流必须从信号电路返回到电源才能形成整个电源电路闭环。返回路径是PDN的一部分它使电流能够从负载流回地。在PCB中构成回流路径的层被称为接地平面。互连互连是电子系统不同部分之间的连接器件包括PCB、BGA或引脚等多种形式。由于互连在器件之间传输信号和电源因此很容易受到电源完整性问题的影响。地弹地弹是接地电压暂时从其预期的恒定值“反弹”的现象。在信号电路中电压的快速变化会引起电流波动进而产生EMI这会在接地平面中产生不必要的电流从而导致地弹。此外PCB走线和过孔中的寄生电容在开关过程中储存和释放电荷也会导致地弹现象的发生。抖动抖动是指数字信号中由于PDN噪声、信号和电源电路的EMI、时序问题和器件参数变化等因素引起的偏移。抖动是导致信号完整性问题的主要原因之一因此减少抖动是电路板设计中的重要一环。为了实现电源完整性工程师通过降低电源和接地电压的可变性以及减少电源和信号电路之间的电感耦合来最大限度地减少抖动。寄生损耗这是指电路中由于能量传递导致的功率损耗这部分能量损耗对电路的功能或输出都没有贡献。在电源完整性方面这包括由电容、电感和电阻效应引起的功率损耗。寄生损耗不仅会降低电路效率还会导致不必要的热量进而影响性能和系统稳健性。除了电源完整性之外寄生损耗还会影响信号完整性。焦耳热当电流遇到材料中的电阻时一些电能会被转换为热能。这一过程被称为焦耳热效应以物理学家詹姆斯·普雷斯科特·焦耳的名字命名。产生的热能大小与材料的电阻和电流的数学平方成正比。PDN阻抗PDN阻抗是由于电阻、电感和电容导致的PDN中的电流流动的阻碍。电源完整性设计的最终目标是将PDN阻抗保持低于系统的目标阻抗。目标阻抗与频率相关而且变化范围很大从直流时的小于1 mΩ到10 GHz频率下的低于100 mΩ。PCB的布局会影响PDN阻抗、电流路径的电感、以及电源层和信号层走线之间的电容。此外去耦电容器也会影响阻抗。PDN阻抗在不同频率范围内会发生显著变化。去耦电容器去耦电容器是在稳压器模块VRM响应不够快时提供电流的分立器件。因为PDN阻抗会随着频率而变化所以设计人员在PDN中放置多个去耦电容器以在频率范围内保持低阻抗。如何测量和分析电源完整性在设计了电源分配网络后工程师必须测量和分析电源和接地侧随时间变化的电压和温度。这可以通过仿真软件实现使用诸如数字电压表或示波器等物理分析工具来完成。无论采用哪种方法其目标都是识别电源完整性问题的原因抖动、EMI和焦耳热效应。在热成像摄像头左中捕获的以及在Ansys Icepak软件右中仿真的电源完整性问题引起的热量对比对于热问题工程师会检查热成像摄像头拍摄的系统热图和仿真的温度等值线图。抖动、EMI及其对信号完整性的影响可通过电源和接地电路中各点随时间变化的电压以及信号电路中的眼图来测量和分析。使用仿真测量和分析电源完整性当PCB或IC封装设计完成后技术团队应开始使用数字模型来评估电源完整性。由于这非常依赖于几何结构比较好的做法是先开展PDN的电热设计仿真。首先团队成员应对仿真系统最高功率需求的运行情况并计算电源和地平面上的压降。涉及不同变量的多个多物理场仿真在传热建模中可能是必要的。工程师必须确保其热仿真采用能够代表最坏工作条件的真实环境参数。根据仿真结果工程师可以更改电源和接地电路的几何结构添加或移动热过孔并应用电子热管理的实践来传递和控制热量。与Ansys SIwave软件结合使用时Ansys Icepak软件是此类分析的有效工具。它可以直接从ECAD软件读取几何结构并开展电流和功耗仿真。然后热流数据可传输到Icepak软件以用于计算和更新电磁模型中的温度。一张来自Ansys SIwave软件图像显示了芯片封装和PCB装配在一起的的功率损耗。工程师使用这些信息修改几何结构以减少损耗并确保电源完整性在选择了功率损耗设计后下一步应该是电磁干扰仿真与PDN噪声耦合分析。工程师通过在多个工作条件下求解EMI可以同时测量信号完整性和电源完整性。像SIwave软件这样的综合工具使您能够在开展电容和电感耦合仿真时使用相同的功率损耗模型。首先工程师必须测量PDN阻抗并微调设计直至其达到目标阻抗。这些迭代可能包括在电路走线之间引入间距修改电源或接地平面几何结构移动或添加过孔或引入电容器以减少串扰。大多数电子系统都包含了PCB和集成电路。正因如此工程师需要一套强大的工具来计算芯片级电源完整性例如用于模拟和混合信号IC的Ansys Totem平台或用于数字和3D-IC的Ansys RedHawk-SC平台。在虚拟测量和分析中重要的部分是确保仿真能够考虑所有实际工作条件和使用场景以确保能够识别和解决所有潜在的电源完整性问题。电源完整性的测量和分析即使在经过广泛的仿真和电源完整性签核后大多数设计流程仍然需要物理测试。测试台上所需的测量和分析与仿真中使用的测量和分析类似。工程师或技术人员将探针放置在PCB上的关键位置来测量随时间变化的电压值。然后示波器可以使用这些数据生成眼图以比较输入和输出信号。此外使用热成像摄像头或热电偶来监控随时间变化的温度也是物理测试中的必要部分。与数字环境中一样器件应能够适用于许多不同的环境条件和使用场景以确保可靠的性能。深圳市摩尔芯创科技有限公司ANSYS 中国区授权代理商可提供 Ansys Lumerical 光子学仿真、Ansys Zemax 光学设计、Ansys Speos 光学成像仿真、Ansys HFSS 电磁仿真、SIwave、Q3D、Maxwell、Icepak 热仿真、Mechanical 结构仿真、LS-DYNA、Sherlock 可靠性仿真、Fluent/CFX 流体仿真等全套 EDA 与 CAE 工业软件配套工程仿真、项目 Debug、技术培训、定制开发服务广泛服务半导体、硅基光电子、汽车电子、新能源、智能穿戴、医疗电子等行业以及国内各大高校科研单位。