Güç bütünlüğünü basit bir şekilde açıklayın
Kaynak: Simüle edilmiş Mavericks resmi hesabının ve EETOP BBS'nin asıl amacını unutmayın
Eser sahibi: 131v1vv
Sinyal / güç bütünlüğü hakkında sık sık duyuyoruz, öyleyse güç bütünlüğü kavramı nedir? Bu sayıda kısaca konuşalım.
İlk olarak, ideal bir voltaj kaynağı, RLC bileşenleri ve yüklerden oluşan bir devreye eşdeğer olan Şekil 1 (a) 'da gösterilen güç kaynağı sistemine bakın. Aynı zamanda, ideal bir voltaj kaynağı ve dahili direnç Z'den oluşan bir güç kaynağı döngüsüne daha basit bir şekilde eşdeğer olabilir. Yük dinamik bir akım talebine sahip olduğunda, farklı frekans bileşenlerini içeren eşdeğer empedans Z'de belirli bir voltaj düşüşü olacaktır.
Şekil 1
Şekil 1'deki güç kaynağı modelinin tipik kart düzeyinde uygulama uygulama formu, Şekil 2'de gösterilmektedir. Kart düzeyinde bir güç kaynağı modülü (Voltaj Düzenleyici Modülü, VRM), bir Baskı Devre Kartı (PCB) aracılığıyla üzerine lehimlenen entegre devrelere (IC'ler) güç sağlar. Burada açıklanması gereken şey, akım döngüsünün esas olarak nasıl olduğudur.Birincisi, VRM'nin güç çıkışı geçiş deliği vasıtasıyla PCB'nin güç düzlemine ulaşır, geçiş delikten paketin pimine ulaşır ve daha sonra paket üzerinden çipin power pad'ine ulaşır (paket formu paketi belirler. Dahili güç yolu formu), aygıt bağlantı noktasına ulaşmak için çipin içindeki güç ağı aracılığıyla ve ardından neredeyse benzer bir topraklama döngüsü aracılığıyla VRM topraklamasına geri dönerek tam bir güç kaynağı döngüsü oluşturur.
şekil 2
Harici güç kaynağı, çipin içine ulaşmak için güç kaynağı yolundaki farklı bileşenlerden geçmelidir ve transistör seviyeli bağlantı noktası tarafından elde edilen voltaj her zaman aşağı yukarı her zaman sapmıştır. Özellikle yüksek hızlı devreler ve ±% 5 veya ±% 3'ten daha az dalgalanmaya sahip özellikler gibi sıkı güç gereksinimleri olan diğer yongalar için. Güç kaynağının tasarımı artan zorluklarla karşı karşıyadır.
Özellikle Die'deki dinamik gücü doğru ölçmek zordur. Çipin içindeki gerçek güç ortamı sert olabilir. Kişi başına 100 yuan'in üzerindeki mali sübvansiyon gibi uygunsuz bir örnek vermek gerekirse, birkaç seviyedeki durdurmadan sonra sadece 80 yuan kalmış olabilir. Ortada çok fazla pas varsa, garanti edilmezse kayıplar olacaktır.
Power Integrity (PI) ile ilgili popüler anlayış, yüke doğru ve eksiksiz güç sağlamaktır. Çipin işlevini ve performansını sağlamak için, esas olarak tüm güç kaynağı ağının empedans özelliklerinin tasarımını değerlendirerek ve optimize ederek, çipteki güç kaynağı gereksinimlerini karşılamak için. Güç bütünlüğü aslında bir sistem mühendisliğidir.
Şekil 2, temel olarak tüm güç kaynağı sistemini VRM, PCB Kartı, Paket ve Kalıp olmak üzere dört bölüme ayırır. Aslında, esas olarak Pano seviyesi, Paket seviyesi ve Çip seviyesinden ayrı olarak ele alınır.
Aslında, güç kaynağı için popüler gereksinimlerimiz esas olarak iki açıdan yansıtılır: küçük IR düşüşü ve küçük dalgalanma. Yani, DC ve AC açısından gereksinimler. Aslında, belirli bir frekans bandında düşük bir empedansın sürdürülmesi gerektiği frekans alanından özetlenebilir. Burada, güç bütünlüğü tasarımı için en temel ve en yaygın kullanılan hedef empedans (Hedef Empedans) yönteminden bahsetmeliyiz.
resim 3
Hedef empedansın hesaplanmasında ampirik bir referans vardır ve yük geçici akım I geçici, maksimum geçici akımın yarısı olarak seçilebilir. Gerçek seçim, Şekil 3'teki formüldeki geçici akımı makul bir şekilde ayarlamak için kapsamlı bir uygulama ortamı gerektirir.
Şekil 4
Aslında, Şekil 2'de gösterilen güç yolundaki bileşenler, dirençler, indüktörler ve kapasitörlerden oluşan seri-paralel rezonans içeren Şekil 4'te gösterilen eşdeğer PDN ağ modeline eşdeğer olabilir. Ve her parçanın "düşük empedansın sürdürülmesinden" sorumlu olabileceği frekans aralığı farklıdır.
Bunun nedeni, belirli bir anda yük akımının frekans bileşenini bilmenin zor olmasıdır, bu nedenle "kesin politika" elde etmek imkansızdır ve "herkese uyan tek boyut" yaklaşımı tembel bir çözüm değildir. Yani, nispeten geniş bir frekans aralığında, Kalıp tarafından görüntülenen PDN ağının empedansı, önceden belirlenmiş Ztarget değerinden daha küçüktür.
Şekil 5
Şekil 5, PCB üzerine lehimlenen bir FCBGA paketinin bir örneğini göstermektedir. Çok katmanlı PCB kartlar, paketleme substratları olarak adlandırılan ambalajlarda da kullanılır. Alt tabaka üzerinde ayırıcı kapasitörler de vardır.
Tüm PDN ağında, direnç ve endüktansın dağıtım pozisyonları esas olarak PCB izlerini ve aşırı boşlukları, kapasitörleri ESL ve ESR'yi, paket bağlama tellerini, tümsekleri ve lehim toplarını içerir.
Kapasitans dağılımı temel olarak şunları içerir: ayırma kapasitörü, güç düzlemleri arasındaki parazitik kapasitans, Die'de dağıtılmış kapasitans, vb. Şekil 6'da gösterildiği gibi.
Şekil 6
Şekil 7, ayırma kapasitörünü güç toprak düzlemine bağlayan tipik bir PCB veya substratın enine kesitsel bir görünümüdür. Şekildeki akım döngüsü güç zemin düzlemini, aşırı boşluğu, kabloları ve kondansatörleri ve diğer endüktansı ve direnci içerir Endüktans ve direncin empedans frekans özellikleri, güç kaynağı yolu üzerindeki etkisini en aza indirme ihtiyacını belirler. Örneğin, kapasitörün ped yerleşim tasarımı, güç kaynağının dielektrik kalınlığı ve yer düzlemi, vb. İyileştirilerek ve optimize edilerek, montaj endüktansı ve difüzyon endüktansı nispeten küçük bir aralıkta kontrol edilir.
Şekil 7
Ancak çoğu zaman direnç ve endüktansı optimize etmenin maliyeti veya fiyatı nispeten büyük olacaktır. Nispeten konuşmak gerekirse, kapasitörün çalışma alanı nispeten büyüktür. Kondansatörler, indüktörlerin zıt empedans frekans özelliklerine sahiptir. Bu nedenle, kapasitör tipini, modelini, kapasitans değerini ve dağıtım konumunu makul bir şekilde seçerek ve rezonans devresinin özelliklerini birleştirerek daha optimize bir güç kaynağı sistemi gerçekleştirilebilir. Bu nedenle Şekil 6'da farklı sistem seviyelerinde farklı kondansatör tasarımları olduğunu görebiliriz.
Gerçek kapasitör modeli için Şekil 8'e bakın. Kapasitansı temsil eden C sembolüne ek olarak, bir seri rezonans devresi oluşturmak için eşdeğer seri direnç (ESR) ve eşdeğer seri endüktans (ESL) vardır. Rezonans frekansı fres = 1 / (2 * pi * sqrt (L * C)) 'dir, burada L ve C sırasıyla kapasitörün ESL değeri ve kapasitans değeridir. Rezonans frekansındaki minimum empedans, frekans frekansı altında kapasitif olan ve yüksek frekanslarda endüktif olan ESR direnç değeridir.
Figür 8
ESR direncinin rezonans frekansını etkilemese de, rezonans frekansındaki bant genişliği olan Q kalite faktörünü etkilediği unutulmamalıdır. Kondansatörlerin dekuplaj uygulamasında, genellikle kondansatörün daha geniş bir frekans aralığında daha düşük bir empedansa sahip olması istenir, yani kalite faktörü Q çok büyük olmamalıdır. Bu nedenle, ESR direnci, kapasitörleri seçerken dikkate alınması gereken bir faktördür.
Şekil 7'deki tipik kapasitör kurulumu gibi, gerçek kapasitörün rezonans frekansının da kurulum endüktansı ve direnci gibi faktörleri dikkate alması gerektiğini unutmayın. Kondansatörün veri sayfasındaki nominal değerden değişen derecelerde daha düşük olacaktır.
Kart seviyesi ve paketlemeye ek olarak, ana işlevi yüksek frekans empedansını azaltmak olan Die'de mümkün olduğunca çok sayıda ayırıcı kapasitör dağıtılmalıdır. İç kapasitans çoğunlukla aktif cihazlar, örneğin özel dekap kapasitörleri, cihaz çalışma koşulları ile ilgili cihaz kapasitansları tarafından katkıda bulunur. Diğer kısım, güç ve toprak ağ yapısının paraziti, MIM, MOM, vb. Gibi parazitik kapasitans olarak kabul edilebilir.
Genellikle, Kalıp'taki kapasitans, çarpmaların, bağlama tellerinin ve alt tabaka izlerinin parazitik endüktansı ile bir LC rezonansı oluşturacaktır. Rezonans frekansı ara frekansta bulunur, yani ara frekansta nispeten büyük bir empedans olarak görünür, bu nedenle paket bariyeri olarak da adlandırılır, bu nedenle ara frekansta substrat veya PCB aracılığıyla ara frekans empedansını azaltmak gerekir.
Şekil 9, farklı dengeleme kapasitörlerinin bir kombinasyonu aracılığıyla nispeten geniş bir frekans aralığında PDN'nin empedansını optimize eden bir empedans diyagramıdır.
Resim 9
Bir soru düşünün: Neden gittikçe daha gelişmiş paketler, paket alt tabakasında bu kadar küçük bir alana sahip çok sayıda kondansatör içeriyor, bunları doğrudan PCB'ye koymanız yeterli? Bu, bir ayrılma yarıçapı kavramını içerir.
İletim hattında, ortamdaki elektrik sinyallerinin ışık hızına yakın elektromanyetik dalgalarda iletilmesinden bahsettiğimizi hatırlayın.Gerçek yayılma hızı, Şekil 10'da gösterildiği gibi, elektromanyetik dalga dalga boyu ile hız frekansı arasındaki ilişki, esas olarak PCB malzemesinin göreceli geçirgenliği ile ilgilidir.
Yonga içindeki geçici akımın neden olduğu voltaj bozukluğunun (bozulmasının) dekuplaj kapasitörünün bozukluğunu algılaması ve yanıt vermesi belirli bir süre alır. Bu süre, sinyalin "gidiş dönüş" süresine eşittir. Kapasitör mesafesi dalga boyunun 1 / 4'ını aşan çok uzak olduğunda, kapasitörün dekuplaj etkisi ortadan kalkacaktır. Pratik uygulamalarda, kondansatör montaj mesafesi 1/40 dalga boyu gibi olabildiğince yakın olmalıdır.
Resim 10
Örneğin FR4 malzemesi için 5Ghz frekansına karşılık gelen dalga boyu 3cm'dir. Şu anda, yüksek frekanslı dekuplaj kondansatörünün Die'ye yakın olması gerekir, özellikle büyük boyutlu (CPU, GPU, FPGA, vb.) Paketler için, substrat üzerindeki dekuplaj kondansatörü gereklidir.
Hedef empedansın simülasyon doğrulaması için tamamlanabilen farklı EDA tasarım araçları vardır. Cadence's Sigrity, Keysight'ın ADS'si ve diğer EDA araçları gibi. Gerçek kart düzeyinde ölçümde, empedans analizi bir Ağ Analizcisi aracılığıyla frekans alanında gerçekleştirilebilir. Zaman alanında, kart ve paket üzerindeki güç kaynağı ölçümü bir osiloskop aracılığıyla gerçekleştirilebilir. Örneğin, Keysight'ın yüksek bant genişlikli güç probu, Şekil 11'de gösterildiği gibi güç bütünlüğüyle ilgili sorunların doğrulanmasına yardımcı olabilir.
Resim 11
Ek olarak, güçle ilgili test konuları PCB, alt tabaka ve Kalıpta dikkate alınmalıdır. Yalnızca daha doğru bir test, sorunları analiz etmeye ve konumlandırmaya yardımcı olabilir. Örneğin, alt tabaka bazı önemli güç kaynakları için test noktalarını dikkate alır Kalıptaki güç kaynağı ve toprak voltaj düşüşü analog test kanalı aracılığıyla test edilebilir Mümkünse, yüksek frekanslı bileşenleri test etmek daha iyidir.
Son olarak, Şekil 12'de gösterildiği gibi bir makale öneriyorum. Keysight ve PICOTEST, Xilinx 32G SerDes'in güç kaynağı ağı için analiz ve optimizasyon fikirleri sağladı.Okuduktan sonra, bir şeyler kazanabileceksiniz.
Resim 12
Son olarak, açıklanması gereken, güç kaynağı sorununun çipin çalışma hızı ile yakından ilgili olduğudur. Çip doğrulama (PVT) için önemli koşullardan biri olarak, aslında birçok durumda performans üzerindeki etkiyi doğru bir şekilde değerlendirmek zordur. Güç bütünlüğünün çip performansı üzerindeki etkisinin yetersiz anlaşılması, tasarımcıları ve test uzmanlarını test problemlerine ilişkin kararlarında yanıltabilir, bu nedenle önceden plan yapmak ve biraz daha fazla anlamak her zaman doğrudur.
Öneri: Yüksek hızlı devre tasarımı analizi ve simülasyon kursu
