原创 埋容的PCB设计与PI仿真 三

作者：一博科技，吴均

2.3.4 问题、难点与争议
     PI仿真一直都是业内的一个难点，也是存在很多争议的领域。以上的仿真结果，就存在一个疑问：由于埋容材料的使用，在一百多兆的位置出现了一个反谐振点，这是埋容材料和By Pass电容共同作用形成的阻抗峰值。这个峰值的存在，就是一个设计隐患，如果在这个频段附近存在较大的电流变化的时候，就会导致很大的电源噪声。
     如何处理这个反谐振点，主要有以下思路：
     一、 添加相应的板级By-Pass电容，抑制这个反谐振峰值。由于频点在一百多兆，在这频点起作用的电容值很小，需要的数量较多。这样就需要使用大量的小电容，没有达成节约分立电容数量的目的，并且有过设计嫌疑。
     二、 添加封装寄生电感和Die电容的参数，准确仿真整个PDN路径的阻抗。这个方法困难的地方在于很多时候拿不到封装和Die的参数。
     三、 不理会100M以上的频点的峰值。准确添加了封装和Die参数的全路径PDN阻抗分析， 100M以上频段的阻抗由于封装电感和Die电容的影响，一般情况下都会得到很好的抑制。这也是PI工程师经典的处理事情的方式，“铁路工人，各管一段”，忽略不属于我能解决的频段。
     四、 新的解决方案，取得芯片的CPM模型，然后通过对电流的分析得到准确的目标阻抗要求，避免过设计
     五、 SSN仿真分析，通过分析最终的时域噪声，来观察噪声分布的频段，以及噪声大小的变化趋势，来辅助电源PDN设计。

2.3.5 时域纹波验证
     这个案例，我们把频域PDN阻抗曲线的结果，最终反映到时域的噪声上，图十二是针对1.5V时域SSN仿真的结果，也能看到使用埋容材料前后的区别

                            没有使用埋容的SNN仿真结果,从波形可以测得SSN的峰峰值为0.204V
 

                               未删除电容的SNN仿真结果,从波形可以测得SSN的峰峰值为0.076V
 

                            删除70%电容的SNN仿真结果,从波形可以测得SSN的峰峰值为0.115V
                                                           图十二 1.5V电源SSN仿真结果
     从SSN仿真来看，使用埋容可以有效抑制噪声，并且在噪声裕量允许的范围内，可以大幅删除板上分立电容，节约板子的空间。

2.3.6 电源Noise测试验证
     针对0.9V电源，测试结果如下表：Ripple为电源纹波测试，测试点为电源模块附近。Noise为电源噪声测试，测试点在主芯片附近。Min是负载较轻时的测试结果，Max为芯片全速运行，负载最重时的结果。
 

                                           表一 0.9V 电源噪声和纹波测试结果
     从上表可以看出，去除70%分立电容后，板子上的电源噪声没有明显增加， 因为使用埋容材料在177M附近形成的反谐振点没有导致较大的噪声。实际电源测试波形如下：
 

                                            图十三  0.9V 电源未删除电容的噪声测试结果
 

                                           图十四 0.9V 电源删除70%电容的噪声测试结果
针对1.5V的测试结果如下：
 

                                                  表二 1.5V 电源噪声和纹波测试结果
    从上表可以看出，去除70%分立电容后，1.5V在满负荷工作时，噪声变大，量值和趋势与仿真结果类似。观察噪声分布的频率，能看到实际噪声是因为PDN阻抗曲线在低频段整体变大引起的。实际电源测试波形如下：
 

                                                   图十五1.5V 电源未删除电容的噪声测试结果
 

                                               图十六 1.5V 电源删除70%电容的噪声测试结果

3．结 论
    Cadence-Sigrity 仿真软件，提供了从PDN阻抗分析到时域噪声SSN分析的全套解决方案，可以完美的支持PI设计仿真的需要。
     通过Power SI提取PDN的阻抗，然后和Target Impedance进行对比，来衡量埋容的PCB设计带来的影响，同时进行电容优化。（这时候也可以采用Cadence-Sigrity的OPI 工具来协助电容选择和优化，效率更高）
     然后采用Cadence-Sigrity的Speed 2000来进行SSN仿真分析，从时域角度验证埋容的PCB设计，确保设计成功。