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高速电路电源完整性设计面临的挑战

Xpeedic 来源:Xpeedic 作者:Xpeedic 2022-01-04 09:29 次阅读

前言

高速PCB不同种类的电源平面分割后,如何处理直流压降过大?

大电流平面的缝合过孔是不是越多越好?

去耦电容是使用相同容量的电容并联,还是使用多个不同容量的电容并联?

去耦电容的数量是否是越多越好,如何通过控制电容数量来节约成本?

电子产品发展趋势

1965年时任仙童半导体公司研究开发实验室主任的摩尔应邀为《电子学》杂志35周年专刊写了一篇观察评论报告,题目是:“让集成电路填满更多的元件”。在摩尔开始绘制数据时,发现了一个惊人的趋势:每个新芯片大体上包含其前任两倍的容量,每个芯片的产生都是在前一个芯片产生后的18-24个月内。摩尔的观察资料,就是现在所谓的摩尔定律。与摩尔定律相对应,Intel公司的CPU芯片也具有一个规律,它的时钟频率大约每两年就要加倍。i486处理器工作于25MHz,而奔腾4处理器的速度达3GHz以上。数十亿晶体管处理器的处理速度可达20GHz。随着处理器等芯片的晶体管数量和速度的提升,为了解决功耗、散热等问题发明了很多新材料和新结构。同时,互连封装技术也在迅速发展,当前,3D封装已经广泛应用于部分消费类电子产品中。

摩尔定律作为电子制造产业链的金科玉律,一直屹立于科技发展的前沿,给整个电子制造产业链指明了非常明晰的发展方向,可谓厚泽万物。电子产业在摩尔定律的驱动下,产品的功能越来越强,集成度越来越高,信号的速率越来越快,产品的研发周期也越来越短。

高速电路电源完整性设计面临的挑战

集成电路沿摩尔定律发展的趋势为当代电子系统的电源分配网络(PDN)设计与电源完整性(PI)分析提出了日益严峻的挑战:

1.低电压供电的芯片集成度越来越高

电压越低,每个器件引脚上需要的电流就越大,就会导致直流压降越大;电压越低,控制压降的要求就越严,典型的电压要求通常为±5%,这就意味着允许的直流压降更小。器件集成度越高,集成电路周围的走线就会越密,从而导致电源网络中的电流密度更高,直流压降也更大。

2.PCB设计向高速高密度发展

目前,PCB上的空间越来越小,信号走线越来越密,没有多少地方可实现宽敞的电源平面。这样的结果是,电源平面和地平面都会被其他网络过孔周围的反焊盘所穿透,如下图所示。由于层面有很多孔洞,显然可供电流流动的路径就会变得更细,因此,电源平面的电阻就会变得更大,导致直流压降也更大。

3.PDN去耦电容优化难度增加

电源的PDN系统要求每个系统元件都能得到正常工作电压,那么就要对电源进行阻抗控制。只要电源阻抗控制在目标阻抗以下,那么电压传输就会有一个良好的性能保障。而实际设计中,PDN上连接了种类数量众多的各种去耦电容器,它们是PDN最重要的组成部分,几乎就决定了PDN的质量。PDN能有效地抑制噪声到底需要多少个电容?这些电容放置在哪?怎么安装?如何在保证电源良好的性能基础上,通过删减电容来减轻PCB布局的紧张,进而还能节约设计成本是电源完整性分析的一大挑战。

4.大电流下的电热协同分析

随着芯片的集成度越来越高,芯片电源的供电电流越来越大,无源链路上产生的功率损耗也越来越大。此部分的损耗会以热的方式呈现出来,从而导致热设计风险,同时无源链路也会受到温度的影响,所以大电流下的电热协同分析就显得特别重要。

综上所述,目前高速电路电源完整性面临着低电压供电的芯片集成度越来越高,PCB设计向高速高密度发展,PDN去耦电容优化难度增加,大电流下的电热协同分析等各种挑战。为了能够保证系统的稳定运行,为芯片提供稳定的电源和电流,提高电源质量,降低系统的总体电源阻抗,提高产品的可靠性和稳定性。芯和半导体推出了全面的电源完整性仿真分析解决方案Hermes PSI。

芯和半导体高速电路电源完整性解决方案

Hermes PSI是一款面向电子产品进行电源完整性分析、信号与电源协同分析、电热协同分析的工具,设计师可利用此工具导入PCB板和封装设计文件以及他们的物理结合,还可帮助设计师进行die和电源调整模块模型结合的端到端的电源完整性频域AC阻抗分析、DC压降分析、时域纹波噪声分析。最终为电子产品提供最佳竞争力的电源完整性解决方案。

1.DC压降分析

Hermes PSI能够识别PCB/SiP设计中潜在的直流压降等问题。如过多的直流压降,可能会导致IC器件出现故障。还有过高的电流密度或过大的过孔电流,可能会导致PCB/SiP的损坏。所有的仿真结果都可以通过图形化的方式查看,同时也能够生成仿真报告,这些都将帮忙工程师快速定位电源分配的DC问题。

2.AC频域阻抗分析

Hermes PSI能够帮助设计师优化电源分配网络(PDN),通过AC opt分析可以确定PDN有效地抑制噪声最少需要多少个电容?能够帮助工程师得到最佳性能、最小面积、最小成本的分析结果。

3.电热协同仿真分析

Hermes PSI能够通过无源链路功率损耗作为热源进行系统热分析,同时系统热分析的温度分布作为无源链路分析的输入,经过多次迭代分析最后达到热平衡。进而得到真正意义上的PCB/SiP电热分析结果。

总结

本文介绍了高速电路电源完整性设计面临的多种挑战。芯和半导体针对这些挑战,提出了最佳竞争力的电源完整性解决方案,设计者可以轻松实现PCB/SiP设计的DC压降分析、AC频域阻抗分析、电热协同仿真分析等,帮助设计者降低了设计冗余,规避潜在风险,缩短了产品开发周期,同时也相应的降低产品成本。

芯和半导体EDA介绍

芯和半导体成立于2010年,是国内唯一提供“半导体全产业链仿真EDA解决方案”的供应商。芯和半导体EDA是新一代智能电子产品中设计高频/高速电子组件的首选工具,它包括了三大产品线:

芯片设计仿真产品线为晶圆厂提供了精准的PDK设计解决方案, 为芯片设计公司提供了片上高频寄生参数提取与建模的解决方案;

先进封装设计仿真产品线为传统型封装和先进封装提供了高速高频电磁场仿真的解决方案;

高速系统设计仿真产品线为PCB板、组件、系统的互连结构提供了快速建模与无源参数抽取的仿真平台,解决了高速高频系统中的信号、电源完整性问题。

芯和半导体EDA的强大功能基于:自主知识产权的多种尖端电磁场和电路仿真求解技术、繁荣的晶圆厂和合作伙伴生态圈(芯和半导体EDA在所有主流晶圆厂的先进工艺节点和先进封装上得到了不断验证)、以及支持基于云平台的高性能分布式计算技术,在5G、智能手机、物联网、汽车电子和数据中心等领域已得到广泛应用。

关于芯和半导体

芯和半导体是国产 EDA 行业的领军企业,提供覆盖 IC、封装到系统的全产业链仿真 EDA 解决方案,致力于赋能和加速新一代高速高频智能电子产品的设计。 芯和半导体自主知识产权的 EDA 产品和方案在半导体先进工艺节点和先进封装上不断得到验证,并在 5G、智能手机、物联网、人工智能和数据中心等领域得到广泛应用,有效联结了各大 IC 设计公司与制造公司。 芯和半导体同时在全球 5G 射频前端供应链中扮演重要角色,其通过自主创新的滤波器和系统级封装设计平台为手机和物联网客户提供射频前端滤波器和模组,并被全球著名的半导体分析机构Yole列入全球IPD滤波器设计的主要供应商之一(Dedicated IPD Filter Design House)。 芯和半导体创建于 2010 年,前身为芯禾科技,运营及研发总部位于上海张江,在苏州、武汉设有研发分中心,在美国硅谷、北京、深圳、成都、西安设有销售和技术支持部门。其中,滤波器业务拥有自有品牌 XFILTER,由旗下全资核心企业,上海芯波电子科技有限公司负责开发与运营。

原文标题:【解决方案】高速电路电源完整性解决方案

文章出处:【微信公众号:Xpeedic】欢迎添加关注!文章转载请注明出处。
审核编辑:汤梓红

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    Integrated MAX25014汽车级4通道背光驱动器具有IC控制的脉宽调制 (PWM) 调光和混合调光功能,非常适合用于汽车仪表板和信息娱乐显示屏。集成电流驱动,每路可支持高达150mA LED灌电流。该器件采用2.5V至36.0V的宽输入电压范围,并能承受汽车负载突降事件。 内部电流模式直流-直流开关控制器可配置为升压或SEPIC拓扑,工作频率范围为400kHz至2.2MHz。集成的扩频有助于降低EMI。该器件采用自适应输出电压调节机制,可最大限度地降低LED电流驱动通路的功耗。 包含用于外部nMOSFET系列开关的控制,以降低背光关闭时的静态电流,并在发生故障时断开升压转换器。 MAX25014符合AEC-Q100标准,采用24引脚TQFN封装,设计用于在-40°C至+125°C温度范围内工作。 特性 宽电压范围运行 启动后工作电源电压低至2.5V 承受高达40V的负载突降 高度集成 完整的4通道解决方案,包括升压控制器 I2C控制,可最大限度地减少元件数量 ...
    发表于 10-28 14:55 160次 阅读
    MAX25014ATG/V+ MaximIntegrated MAX25014汽车级4通道背光驱动器

    LDO40LPU50RY STMicroelectronics LDO40L 低压差稳压器

    oelectronics LDO40L低压差稳压器是一款400mA、38V LDO,非常适合用于严苛的汽车环境。LDO40L稳压器的静态电流低至45uA,因此适合用于永久连接电池电源的应用。当点火开关关闭时且电子模块保持活动模式时,此特性尤其重要。 LDO40L具有各种嵌入式保护功能,包括电流限制和热关断。另外,LDO40L还具有-0.3V至40V输入电压范围、低压差以及低静态电流等特性,因此适合用于低功耗工业和消费类应用。 LDO40L低压差稳压器符合汽车应用类AEC-Q100标准,采用带可湿性侧翼的紧凑型DFN-6 (3x3) 封装。 特性 符合AEC-Q100标准(1级) 低静态电流:45µA(无负载时的典型值) 高达38V的宽输入工作电压范围 低启动电压:3.5V 输出电流:高达400mA 输出电压选项: 可调电压:最低2.5V 固定电压:3.0V、3.3V、5.0V、8.5V 输出电压精度: ±1%(25°C时的典型值) ±3%(包括线路...
    发表于 10-28 09:50 205次 阅读
    LDO40LPU50RY STMicroelectronics LDO40L 低压差稳压器

    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    oelectronics M95M04 4MB串行EEPROM组织为524288 x8位,通过SPI总线访问。这些EEPROM的电源电压范围为1.8V至5.5V,保证工作温度范围为-40°C至85°C。这些串行EEPROM具有512字节识别页面,用于存储敏感的应用参数,这些参数可永久锁定在只读模式下。 特性 兼容SPI总线 存储器阵列: 4mbeeprom 512字节页面大小 额外识别页面 增强ESD保护 封装: SO8n(m95m04-drmn6tp) tssop8(m95m04-drdw6tp) 规范 写入时间: 5ms内字节写入 5ms内页面写入 最高时钟频率:10MHz 单电源电压:1.8V至5.5V 工作温度范围:-40°C至85°C 超过4百万次写入循环 数据保留超过40年 功...
    发表于 10-28 09:37 253次 阅读
    M95M04-DRMN6TP STMicroelectronics M95M04 4MB 串行EEPROM

    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    Integrated MAX2008x相机电源保护IC是双路/四路相机保护器IC,可为四个输出通道中的每一个提供高达600mA负载电流。这些IC采用3V至5.5V电源供电,相机电源电压范围为3V至15V,在300mA时输入至输出电压降为110mA(典型值)。MAX2008x IC具有使能输入和IC接口,用于读取器件的诊断状态。该IC设有板载ADC,可通过每个开关读取电流。MAX2008x相机电源IC包括分别在每个输出通道上的过热关断和过流限制。该电源保护IC的理想应用是雷达和相机模块同轴电缆供电。 特性 小尺寸解决方案: 多达四个600mA保护开关 输入电源:3V至15V 3V至5.5V服务电源 26V电池短路隔离 可调电流限制:100mA至600mA 可选I2C地址 小型 (4mm x 4mm) 20引脚SWTQFN封装 精度: 电流限制精度:±8% 0.5ms软启动 0.25ms软关断 关断电流:0.3μA 压降:110m...
    发表于 10-21 10:50 556次 阅读
    MAX20087ATPA/VY+ Maxim Integrated MAX2008x相机电源保护IC

    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    Integrated MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635电源模块是一系列稳压器IC和电源模块。这些器件实现散热更好、尺寸更小且更加简单的电源解决方案。MAXM17633、MAXM17634和MAXM17635具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内工作。该模块在4.5V至36V输入范围内工作,可提供高达2A输出电流。 特性 简单易用 宽输入范围:4.5V至36V 0.9V至12V可调输出 (MAXM17635) 3.3V和5V固定输出电压版本 (MAXM17633和MAXM17634) 400kHz至2.2MHz可调频率,可实现与外部时钟同步 反馈精度:±1.2% 输出电流:高达2A 内部补偿 陶瓷电容器 高效率 可选的PWM、PFM或DCM工作模式 关断电流:低至2.8μA(典型值) 灵活的设计 可编程软启动和预偏置启动 ...
    发表于 10-21 10:20 294次 阅读
    MAXM17635AMG+ Maxim Integrated MAXM17633、MAXM17634、MAXM17635电源模块

    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    Integrated MAXM17630、MAXM17631和MAXM17632喜马拉雅uSLIC™降压电源模块可用来设计散热更好、尺寸更小、更加简单的电源解决方案。MAXM17630和MAXM17631是高效同步降压型DC-DC模块,具有集成控制器、MOSFET、补偿元件和电感器,可在宽输入电压范围内运行。 该电源模块的工作电压范围为4.5V至36V,可提供高达1A的输出电流。MAXM17630和MAXM17631模块分别具有3.3V和5V固定输出电压。MAXM17632模块具有可调输出电压(0.9V至12V)。该器件提供真正的即插即用电源解决方案,大大降低了设计复杂性和制造风险,缩短了上市时间。内部补偿覆盖整个输出电压范围,因此无需外部补偿元件。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用峰值电流模式控制架构,可在脉宽调制 (PWM) 、脉频调制 (PFM) 或断续导通模式 (DCM) 下工作,从而在轻负载条件下实现高效率。该模块系列在-40°C至+125°C范围内的反馈电压调节精度为±1.2%。 MAXM17630/MAXM17631/MAXM17632电源模块采用紧凑的薄型16引脚3mmx3mmx1.75mm uSLIC封装,且可提供仿真模...
    发表于 10-21 09:59 219次 阅读
    MAXM17630AME+ Maxim Integrated MAXM17630 MAXM17631和MAXM17632电源模块

    X-NUCLEO-NFC06A1 X-NUCLEO-NFC06A1NFC读卡器扩展板基于ST25R3916的STM32和STM8核苷

    NFC读卡器IC:ST25R3916 47毫米x 34英寸毫米,四匝,13.56MHz的电感在PCB和相关联的调谐电路 6个通用的LED ISO 18092的无源和有源引发剂,ISO 18092的被动和主动目标 NFC-A和NFC-F卡模拟 ISO 14443A和ISO14443B ISO 15693 的FeliCa™ 最多1.7 W的输出功率与差天线 在X-细胞核 - NFC06A1 NFC读卡器扩展板是基于ST25R3916设备上。
    发表于 05-21 01:05 259次 阅读

    X-NUCLEO-NFC05A1 X-NUCLEO-NFC05A1NFC读卡器扩展板基于ST25R3911B的STM32和STM8核苷

    NFC读卡器IC:ST25R3911B 47毫米x 34英寸毫米,四匝,13.56MHz的电感在PCB和相关联的调谐电路 6个通用的LED ISO 18092(NFCIP-1)活性的P2P ISO 14443A和ISO14443B ISO 15693 的FeliCa ™ VHBR 6.8 Mbit / s的AFE和PCD到PICC成帧 3.4 Mbit / s的PICC向PCD成帧 最多1.4 W的输出功率与差天线 的X细胞核 - NFC05A1是基于所述ST25R3911B的NFC读卡器扩展板。
    发表于 05-20 19:05 275次 阅读

    FLC01 FLC01消防打火机电路

    容放电点火操作专用晶闸管结构 高脉冲电流能力: 190甲在t P = 10微秒 快速开启操作 设计用于高环境温度(高达120℃) 优势 节省空间由于单片功能集成 高可靠性与平面技术 在FLC01系列已为电容放电操作特别开发的。的主要应用是气体打火机或点火器如炊具/燃气锅炉/灶具...
    发表于 05-20 12:05 245次 阅读

    NCP81276 具有省电模式和PWM VID接口的多相同步降压控制器

    76是一款多相同步控制器,针对新一代计算和图形处理器进行了优化。该器件能够驱动多达4个相位,并集成差分电压和相电流检测,自适应电压定位和PWM_VID接口,为计算机或图形控制器提供精确调节的电源。集成的省电接口(PSI)允许处理器将控制器设置为三种模式之一,即所有相位开启,动态相位脱落或固定低相位计数模式,以在轻载条件下获得高效率。双边沿PWM多相架构可确保快速瞬态响应和良好的动态电流平衡。 应用 终端产品 GPU和CPU电源 图形卡电源管理 台式电脑 笔记本电脑 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 20:02 443次 阅读

    LV5749NV 降压稳压器 开关 1通道

    NV是单通道降压型开关稳压器。 特性 与负载无关的软启动电路 ON / OFF功能 集成脉冲脉冲过流保护 电流模式控制 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 19:02 280次 阅读

    LV5725JA 降压转换器 DC-DC 1通道

    JA是一个降压电压开关稳压器。 特性 优势 宽输入动态范围:4.5V至50V 可在任何地方使用 内置过流逐脉冲保护电路,通过外部MOSFET的导通电阻检测,以及HICCUP方法的过流保护 烧伤保护 热关闭 热保护 负载独立软启动电路 控制冲击电流 外部信号的同步操作 它可以改善发生两个稳压器IC之间的振荡器时钟节拍 电源正常功能 稳定性操作 外部电压为输出电压高时可用 应用 降压方式开关稳压器 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 19:02 396次 阅读

    NCP81038 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    38是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81038包括两个降压开关控制器,通道2上固定5.0 V输出,通道1上3.3 V,两个板载LDO,三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81038支持高效率,快速瞬态响应并提供电力信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 599次 阅读

    NCP81148 具有自动省电模式和内置LDO的同步降压控制器

    48是一款双同步降压控制器,经过优化,可将电池电压或适配器电压转换为台式机和笔记本电脑系统所需的多个电源轨。 NCP81148由两个降压开关控制器组成,通道2上固定5.0 V输出,通道1上为3.3 V,两个板载LDO具有三个输出:5 V / 60 mA和3.3 V或12 V / 10 mA。 NCP81148支持高效率,快速瞬态响应并提供电力商品信号。安森美半导体专有的自适应纹波可控制器从CCM到DCM的无缝过渡,其中转换器运行时降低了开关频率,在轻载时具有更高的效率。该器件的工作电源电压范围为5.5 V至28 V. 电路图、引脚图和封装图...
    发表于 07-29 18:02 222次 阅读

    NCP4200 具有I2C接口的多相同步降压转换器

    0是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。它结合了高效,多相,同步降压开关稳压控制器和I 2 C接口,可实现关键系统参数的数字编程。 特性 优势 I 2 C 启用关键系统参数的数字化编程 快速增强型PWM弹性模式架构 出色的负载瞬态性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 游戏,桌面,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 18:02 405次 阅读

    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

    8是一款集成电源控制IC,具有I 2 C接口。 NCP4208是一款高效,多相,同步降压开关稳压控制器,可帮助设计高效率和高密度解决方案。 NCP4208可编程为1,2,3,4,5,6,7或8相操作,允许构建多达8个互补降压开关级。 特性 优势 快速增强PWM 出色的负载转换性能 应用 终端产品 CPU Vcor​​e 台式电脑,服务器 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 17:02 397次 阅读
    NCP4208 同步降压转换器 8相 VR11.1可编程 带I2C接口

    NCP5269 具有2位VID的系统代理控制器

    9 电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 17:02 493次 阅读

    NCP1581 用于跟踪应用的同步降压控制器 高频PWM

    1同步降压控制器IC旨在为14引脚SOIC中的板载DC-DC应用提供简单的同步降压稳压器。 NCP1581专为跟踪应用而设计,提供轨道输入。 NCP1581采用固定内部400 kHz开关频率工作,允许使用小型外部元件。该器件具有由外部电容设置的可编程软启动,欠压锁定和输出欠压检测,可在检测到输出短路时锁定器件。电路图、引脚图和封装图
    发表于 07-29 16:02 387次 阅读