powersi分析基础_100621.pdf

Sigrity Confidential. Please do not distribute without Sigrity approval. Sigrity 交流分析 （ 交流分析 （PowerSI）基础）基础 Sigrity 交流分析 （ 交流分析 （PowerSI）基础）基础 20102010- -0606- -2121 2Sigrity Confidential Agenda ? 1: PI分析理论基础分析理论基础 ? 2: PowerSI 的主要特色和典型案例的主要特色和典型案例 3Sigrity Confidential 1. PI 分析理论基础分析理论基础 4Sigrity Confidential PCB系统典型的电分析系统典型的电分析 ?信号完整性信号完整性Signal Integrity • 将信号从芯片内忠实的、以最短的时间发送到主板 ?电源完整性电源完整性Power Integrity • 为芯片内的有源器件提供一个干净的参考电压 ?电磁兼容电磁兼容EMI/EMC • 辐射到外部环境的电磁能量最小化 5Sigrity Confidential PI性能的好坏比较～时域性能的好坏比较～时域 ? 好的电源供电好的电源供电: 电源的电压波动较小电源的电压波动较小; ? 差的电源供电差的电源供电: 电源的电压波动相对较大！电源的电压波动相对较大！ 6Sigrity Confidential PI性能的好坏比较～频域性能的好坏比较～频域 ? 好的电源供电好的电源供电: 电源的输入阻抗较小电源的输入阻抗较小; ? 差的电源供电差的电源供电: 电源的输入阻抗有明显谐振！电源的输入阻抗有明显谐振！ 7Sigrity Confidential 不好的不好的PI性能将带来以下问题性能将带来以下问题 ? 噪声容限变小噪声容限变小 ? 时序容限变小时序容限变小 ? 数据相移/抖动数据相移/抖动 ? EMI增大增大 050100150 4.6 4.8 5 5.2 5.4 Time [nsec] Power Line Fluctuation [V] 840-mV 50100150200250300 0 10 20 30 Frequency [MHz] Radiated Emission [dBuV/m] 32.1dBμ μV/m@55.11MHz VIH VIL NMH NML VDD VSS T/2 1/2fCLK ΔVDD ΔVSS Signal Eye Pattern Jitter & Skew PD Noise 8Sigrity Confidential 电源是如何传递的电源是如何传递的? ? 电源能量从电源模块（电源能量从电源模块（VRM）出发，经过电源分配网络（）出发，经过电源分配网络（ PDN），到达芯片内的电路），到达芯片内的电路 9Sigrity Confidential PDN的谐振的谐振 ?? PDNPDN的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素；的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素；的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素；的谐振是电源地平面设计中需要重点考虑的因素； ?? PDNPDN的谐振将使信号的的谐振将使信号的的谐振将使信号的的谐振将使信号的SISI性能变差；性能变差；性能变差；性能变差； ?? PDNPDN的谐振将使电源地平面的的谐振将使电源地平面的的谐振将使电源地平面的的谐振将使电源地平面的PIPI噪声变大噪声变大噪声变大噪声变大 10Sigrity Confidential PDN的谐振对的谐振对SI的挑战的挑战 ?? 对于上述对于上述对于上述对于上述PCB DemoPCB Demo板，需要发送的信号为板，需要发送的信号为板，需要发送的信号为板，需要发送的信号为250MHz250MHz；；；； ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部去掉时，信号频率恰好与全部去掉时，信号频率恰好与全部去掉时，信号频率恰好与全部去掉时，信号频率恰好与PDNPDN的第一个谐振频率的第一个谐振频率的第一个谐振频率的第一个谐振频率240MHz240MHz 比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的比较接近，此时信号波形（红色线）发生了明显的“ “自激自激自激自激” ”现象；现象；现象；现象； ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于PDNPDN在在在在240MHz240MHz的谐振被消除，此时信号波的谐振被消除，此时信号波的谐振被消除，此时信号波的谐振被消除，此时信号波 形（蓝色线）得到了明显的改善形（蓝色线）得到了明显的改善形（蓝色线）得到了明显的改善形（蓝色线）得到了明显的改善 11Sigrity Confidential PDN的谐振对的谐振对PI的挑战的挑战 ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部去掉时，由于全部去掉时，由于全部去掉时，由于全部去掉时，由于PDNPDN谐振的影响，此时谐振的影响，此时谐振的影响，此时谐振的影响，此时VCCVCC电源波形（红色电源波形（红色电源波形（红色电源波形（红色 线）发生了明显的线）发生了明显的线）发生了明显的线）发生了明显的“ “自激自激自激自激” ”现象；现象；现象；现象； ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于PDNPDN在在在在240MHz240MHz的谐振被消除，此时的谐振被消除，此时的谐振被消除，此时的谐振被消除，此时VCCVCC电电电电 源波形（蓝色线）得到了明显的改善源波形（蓝色线）得到了明显的改善源波形（蓝色线）得到了明显的改善源波形（蓝色线）得到了明显的改善 12Sigrity Confidential PDN的谐振对的谐振对EMI的挑战的挑战 ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部去掉时，由于全部去掉时，由于全部去掉时，由于全部去掉时，由于PDNPDN谐振的影响，此时全板谐振的影响，此时全板谐振的影响，此时全板谐振的影响，此时全板EMIEMI的辐射在的辐射在的辐射在的辐射在 200MHz~500MHz200MHz~500MHz全部超标；全部超标；全部超标；全部超标； ?? 当把当把当把当把DecapDecap全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于全部打开时，由于PDNPDN在在在在240MHz240MHz的谐振被消除，全板的谐振被消除，全板的谐振被消除，全板的谐振被消除，全板EMIEMI的的的的 辐射在辐射在辐射在辐射在500MHz500MHz以下均满足了以下均满足了以下均满足了以下均满足了FCC CLASS BFCC CLASS B的标准的标准的标准的标准 Decap_disabledDecap_disabled Decap_enabledDecap_enabled 13Sigrity Confidential 电容特性电容特性 ?一个真实的电容包含一些重要的寄生参数，如串接电感 （ESL）和串 接电阻（ESR） ?ESL可能会引起电容在一定频率上的谐振 L R C 大电解电容：470uF (232KHz)主板高频电容：100nF (26MHz) 14Sigrity Confidential Example1：去耦电容效应：去耦电容效应 原始原始PDN网络的输入阻抗网络的输入阻抗 mag(Z) 15Sigrity Confidential Example1：去耦电容效应：去耦电容效应 加加Bulk低频电容低频电容 mag(Z) 16Sigrity Confidential Example1：去耦电容效应：去耦电容效应 加加MB高频电容高频电容 mag(Z) 17Sigrity Confidential PCB大电容与高频电容大电容与高频电容 ?PCB常用的电容通常分为电解电容和陶瓷电容； ?PCB上用的电容容值和ESL通常比封装电容要大； ?其有效作用范围通常为：DC~500MHz 陶瓷电容陶瓷电容陶瓷电容陶瓷电容 电解电容电解电容电解电容电解电容 18Sigrity Confidential 频域分析频域分析 ?研究对象：研究物理结构本身随频率变化的特性，与激励信号无关， 适用于无源、线性、时不变的系统。

研究对象：研究物理结构本身随频率变化的特性，与激励信号无关， 适用于无源、线性、时不变的系统 ?优点：频域比时域容易定位和解决问题，容易进行频域仿真，能够清 楚的分析 优点：频域比时域容易定位和解决问题，容易进行频域仿真，能够清 楚的分析Die, Package和和Board等各部分对系统性能的贡献，不受 外部噪声的干扰 等各部分对系统性能的贡献，不受 外部噪声的干扰 ?缺点：没有明确的缺点：没有明确的spec可供参考可供参考 Ideal Z(f) ProfileIdeal Z(f) ProfileTypical Z(f) ProfileTypical Z(f) Profile 19Sigrity Confidential 频域分析的分类频域分析的分类 ?直流DC分析：研究对象为激励信号的频率 F=0时的恒定恒定电路特性，主要指标 有电压、电流和电阻等； ?交流AC分析：研究对象为激励信号的频率 F0时的瞬态瞬态电路特性，主要指标 有AC电压、AC电流、AC阻抗、电感、电容和S参数等 20Sigrity Confidential 输入阻抗输入阻抗 Input Impedance Z11, Z22: Z11, Z22: 自阻抗，输入阻抗自阻抗，输入阻抗自阻抗，输入阻抗自阻抗，输入阻抗 Z12, Z21: Z12, Z21: 互阻抗，转移阻抗互阻抗，转移阻抗互阻抗，转移阻抗互阻抗，转移阻抗 ? 从器件处向系统内部看进去 的阻抗叫做输入阻抗； 从器件处向系统内部看进去 的阻抗叫做输入阻抗； ? 用输入阻抗用输入阻抗Zin来表征电源系 统的特性，可以 来表征电源系 统的特性，可以不受端口阻抗 匹配状况的影响 不受端口阻抗 匹配状况的影响 21Sigrity Confidential 电源地网络的阻抗分析电源地网络的阻抗分析 ? 输入阻抗： 在封装Die端的I/O口测量得到； 通常要分析该指标是否满足目标阻抗的要求； 如果波形中有谐振，则必须改善或抑制它。

? 传输阻抗： 相邻I/O电源管脚之间的同步翻转耦合； 通常用于研究电源网络之间的干扰以及去耦电容的放置 i i ii I V Z= ∑∑ = j j i j ij I V Z 22Sigrity Confidential 时域分析时域分析 ?研究对象：研究电源或信号实际的波形，与激励信号有关，适用于观 测系统的有源、非线性特性 研究对象：研究电源或信号实际的波形，与激励信号有关，适用于观 测系统的有源、非线性特性 ?优点：直观，有明确的优点：直观，有明确的spec ，如，如Ripple和和Transient等指标可供参 考 等指标可供参 考 ?缺点：不容易发现和解决问题，缺点：不容易发现和解决问题， IC器件的电流激励器件的电流激励Icct波形难以得到 ，测量容易受外部噪声的干扰 波形难以得到 ，测量容易受外部噪声的干扰 23Sigrity Confidential 典型的时域电流激励与电压波形典型的时域电流激励与电压波形 First Droop First Droop Second Droop Second Droop Third Droop Third Droop 24Sigrity Confidential PDN网络分析的一般流程网络分析的一般流程 ? 尽管最终我们要在时域中测量和验证电源噪声， 但是 尽管最终我们要在时域中测量和验证电源噪声， 但是首先设计和优化首先设计和优化PDN的阻抗特性的阻抗特性，然后再做 时域上的测量和验证（如果有必要以及瞬态时域 电流已知）要更简单和直接的多。