【導讀】每當電路或系統狀態(tài)改變時(shí),就會(huì )出現瞬態(tài)響應,此時(shí)系統會(huì )進(jìn)入一種新的穩定狀態(tài)。有時(shí),系統中的瞬態(tài)響應非??觳⑶伊鲿?,以至于無(wú)法察覺(jué)。在其他情況下,瞬態(tài)響應表現為信號電平出現大幅波動(dòng),這種過(guò)渡期間的信號是無(wú)法識別的。高速 PCB 設計的一個(gè)主要目標是防止不必要的瞬態(tài)行為對器件造成影響,以及完全消除瞬態(tài)行為。
本文要點(diǎn)
電源分配網(wǎng)絡(luò ) (PDN) 中的瞬態(tài)電流會(huì )對電源軌產(chǎn)生兩種影響:接地反彈和軌道塌陷。
軌道塌陷和接地反彈是兩種瞬態(tài)效應,它們對電源完整性具有相同的影響,但產(chǎn)生的方式彼此不同。
通過(guò)使用場(chǎng)求解器,設計人員可以根據控制 PDN 瞬態(tài)電流的 Z 參數和寄生效應提取 PDN 阻抗。
每當電路或系統狀態(tài)改變時(shí),就會(huì )出現瞬態(tài)響應,此時(shí)系統會(huì )進(jìn)入一種新的穩定狀態(tài)。有時(shí),系統中的瞬態(tài)響應非??觳⑶伊鲿?,以至于無(wú)法察覺(jué)。在其他情況下,瞬態(tài)響應表現為信號電平出現大幅波動(dòng),這種過(guò)渡期間的信號是無(wú)法識別的。高速 PCB 設計的一個(gè)主要目標是防止不必要的瞬態(tài)行為對器件造成影響,以及完全消除瞬態(tài)行為。
雖然 PCB 中的直流 PDN 只應輸出直流電,但當器件切換狀態(tài)時(shí),它也會(huì )表現出瞬態(tài)響應,而瞬態(tài)響應會(huì )影響連接到 PDN 的所有其他器件的功能。設計人員應了解 PDN 可能出現的瞬態(tài)電流變化,以便找到維持 PCB 電源穩定輸出的方法。事實(shí)證明,設計人員可以通過(guò)一些簡(jiǎn)單的設計選擇來(lái)確保穩定的電源傳輸。
PDN 瞬態(tài)電流的變化對于了解高速 PCB 的信號完整性非常重要。
兩種類(lèi)型的 PCB 瞬態(tài)電流
如今的 PCB 使用的是 CMOS 數字器件,當邏輯緩沖器切換狀態(tài)時(shí),可能會(huì )出現兩種類(lèi)型的瞬態(tài)電流行為?;镜?CMOS 反相器排列方式是使用兩個(gè) MOSFET 連接到一個(gè)輸入端,單個(gè) CMOS 反相器會(huì )根據從關(guān)斷到接通或從接通到關(guān)斷的切換情況,表現出兩種類(lèi)型的瞬態(tài)響應。具體如下: 接地反彈
這是電流進(jìn)入 PDN 時(shí)最常見(jiàn)的瞬態(tài)電壓效應。發(fā)生這種情況時(shí),接地參考平面上會(huì )出現電壓上升,而 PDN 上的正電壓軌則保持不變。 軌道塌陷 這種現象被稱(chēng)為 PDN 紋波或電源軌紋波,不要將其與整流交流信號輸出端的紋波混淆。當瞬態(tài)電流在 PDN 上傳播時(shí),PDN 的阻抗會(huì )在正電壓軌上產(chǎn)生電壓波動(dòng)。 在這兩種情況下,都會(huì )導致在正電壓軌和負 (GND) 電壓軌之間測量到的電壓出現波動(dòng)。只需測量設備中電源和接地平面之間的電壓(例如使用示波器),就會(huì )發(fā)現連接到 PDN 的器件出現電壓波動(dòng)。在接地引線(xiàn)或電源引線(xiàn)處可能測量到的基本瞬態(tài)效應如下所示。
PDN 瞬態(tài)電流變化導致接地反彈和軌道塌陷。
當集成電路中的邏輯電路切換狀態(tài)時(shí),上述兩種效應都取決于 PDN 瞬態(tài)電流的變化。在實(shí)際的集成電路中,會(huì )有許多邏輯電路同時(shí)切換,從而產(chǎn)生接地反彈和軌道塌陷的復雜組合??傮w而言,這兩種效應結合在一起會(huì )產(chǎn)生復雜波形,可以在電源軌上測量到。這兩種效應的區別在于電流的流向和電流路徑中存在的寄生元素。
軌道塌陷過(guò)程
當正電壓供電軌上的瞬態(tài)電流進(jìn)入 PDN 時(shí),就會(huì )發(fā)生軌道塌陷??梢詫?PDN 建模成一個(gè) RLC 網(wǎng)絡(luò ),與任何具有一定電抗的系統一樣,它可以表現出類(lèi)似于阻尼振蕩的瞬態(tài)響應。這種效應的整個(gè)過(guò)程如下:
CMOS 反相器接通并向下游邏輯電路或負載器件供電。
在開(kāi)關(guān)過(guò)程中,該器件會(huì )使尖峰電流輸入電源軌。
電流尖峰是一個(gè)寬帶信號,與整個(gè) PDN 中的寄生效應發(fā)生相互作用。
電流尖峰通過(guò) PDN 阻抗轉化為電壓尖峰,然后以阻尼振蕩的形式放緩。
在步驟 4 中我們可以發(fā)現,較高的 PDN 阻抗會(huì )導致電源總線(xiàn)上的電壓波動(dòng)過(guò)大。此時(shí)的解決方案是盡可能降低 PDN 阻抗。為此,需要巧妙地選擇去耦電容,并放置相鄰的電源/接地平面,以確保較高的平面間電容。
接地反彈過(guò)程
當 CMOS 反相器關(guān)斷,走線(xiàn)/參考平面電容放電時(shí),就會(huì )發(fā)生接地反彈。與電流流經(jīng) PDN 正極的情況一樣,流經(jīng)集成電路接地端口的電流也會(huì )出現各種寄生效應,這些寄生效應也會(huì )產(chǎn)生無(wú)功阻抗。接地反彈產(chǎn)生電壓尖峰的過(guò)程如下: CMOS 反相器的低電壓端接通,存儲在走線(xiàn)/參考平面電容中的電流放電。 該電流流經(jīng)集成電路的接地平面,進(jìn)入集成電路芯片上的連接線(xiàn)。電流從連接線(xiàn)流過(guò)集成電路封裝上的引腳,再通過(guò)一個(gè)過(guò)孔回到接地平面。 沿 PDN 出現的電壓尖峰是由于流向接地的電流路徑上的總電感產(chǎn)生了反向電磁場(chǎng)。 然后,該電壓尖峰作為阻尼振蕩降至零。 通過(guò) CMOS 反相器的 PDN 瞬態(tài)電流路徑。
此時(shí),接地反彈主要是由接地引線(xiàn)中的電感造成的。當集成電路反復開(kāi)關(guān)時(shí),多個(gè)接地反彈尖峰結合在一起,產(chǎn)生能在電源軌上測量到的復雜強迫振蕩(見(jiàn)下圖)。
由于傳輸到 CMOS 反相器的驅動(dòng)信號的上升時(shí)間非???,因而可以測量到電源軌響應(藍色走線(xiàn))。
為了減少接地反彈,通常的解決方案是在正負電壓軌之間安裝一個(gè)并聯(lián)電容器,以減小流動(dòng)電流的阻抗。該電容是旁路電容;它可降低由接地引線(xiàn)和 CMOS 反相器低電壓端的電容所形成的等效 LC 網(wǎng)絡(luò )的阻抗。此外還可以遵循其他的 PCB layout 設計指南來(lái)減少接地反彈。
使用場(chǎng)求解器對電壓紋波和瞬態(tài)電流進(jìn)行建模
在上述兩種情況下,有一點(diǎn)需要注意,PDN 實(shí)際上是一個(gè)多端口網(wǎng)絡(luò )。電源軌上的電壓不僅會(huì )影響開(kāi)關(guān)器件的直流電源,它還會(huì )導致 PDN 上所有器件的直流電源產(chǎn)生一些波動(dòng)。在仿真中,不同端口的阻抗之間的這種關(guān)系通過(guò) Z 參數或阻抗參數進(jìn)行量化。該參數矩陣定義了 PDN 中某個(gè)端口的電壓波動(dòng)與 PDN 中所有端口的電流之間的對應關(guān)系。 利用高級 PCB 設計工具中的 3D 電磁場(chǎng)求解器,可以提取這些網(wǎng)絡(luò )參數。如果需要快速提取 Z 參數,最好使用與您的 layout 工具集成的仿真套件;這樣無(wú)需在另外的仿真工具中重新為 PCB 創(chuàng )建新模型,即可輕松查看 PDN 的哪個(gè)部分具有高阻抗。
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文章來(lái)源:Cadence楷登PCB及封裝資源中心
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