采用 Celsius PowerDC 仿真分析8層高速核心板的IR Drop和過(guò)孔電流

當前數字系統的核心供電電壓越來(lái)越低，而總的工作電流和布線(xiàn)密度則越來(lái)越大，從而導致直流問(wèn)題日益突出。為了設計一個(gè)穩定可靠的電源系統，PI 仿真中的 IR Drop 直流壓降仿真已被視作高速電路設計過(guò)程中不可或缺的環(huán)節之一。

IR Drop 指的是電源和地網(wǎng)絡(luò )上電壓的下降或者升高的一種現象，是指電路在直流工作時(shí)由直流電阻造成的電壓降。當前芯片的制作工藝已突破到納米級別，同時(shí)電路板上的走線(xiàn)也越來(lái)越密集，導致單位面積內電流急劇上升，再加上芯片與芯片之間的金屬互聯(lián)線(xiàn)寬度越來(lái)越窄，這就使得整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò )上的電阻值變大，當電源電流從電源端到達器件端時(shí)就會(huì )損失一部分電壓，因此在電源網(wǎng)絡(luò )的局部會(huì )存在一定的IR壓降。

在實(shí)際設計一個(gè)電路板時(shí)，常常由于電源網(wǎng)絡(luò )結構設計不合理而導致許多的IR Drop問(wèn)題。這些問(wèn)題表現為：

（1）電路板上的器件由于過(guò)壓或者欠壓而不能正常的工作。

（2）局部區域電流密度過(guò)大，引起此區域溫度持續升高甚至燒

（3）I/O網(wǎng)絡(luò )上的電阻過(guò)大，導致有用信號的嚴重衰減。?

仿真案例

本文我們將采用 Celsius PowerDC 仿真分析8層高速核心板的IR Drop和過(guò)孔電流。

Celsius PowerDC 軟件是一款專(zhuān)門(mén)用于電源完整性分析的工具，主要用于確?？煽康碾娫垂?。對于承受高電流且工作在低電壓條件下的產(chǎn)品，Celsius PowerDC 能提供精確的電性能分析。它能夠分析從VRM（電壓管理模塊）到 SINK（負載端）的直流壓降問(wèn)題，這對于維持電源供應的穩定性至關(guān)重要。同時(shí)，它還能提供過(guò)孔與平面電流密度分析，通過(guò)分析過(guò)孔和平面的電流密度，Celsius PowerDC 可以幫助設計者優(yōu)化布線(xiàn)，減少電磁干擾和提高信號完整性。并最終將分析結果以 2D 和 3D 的形式直觀(guān)展現，使用戶(hù)能夠清晰地看到電流流動(dòng)、熱點(diǎn)分布和其他關(guān)鍵參數。

HI3516D是一塊8層高速核心板的芯片，主頻 0.9GHz，供電電壓 VDD_CORE 為1.1V；DDR3 數據頻率可達1.6GHz，接口電壓DDR_IO為1.35V/1.5V。

仿真過(guò)程

我們將根據實(shí)際選用材料，將軟件中的電路板板材設置為FR4，芯板介質(zhì)層設置為銅，過(guò)孔的銅壁厚度設置為1.4mil，填充材料使用SolderMask.以下為仿真結果，如下圖所示。

從電壓分布圖上可以直觀(guān)看出核心板電源模塊的分布位置及走向。主控芯片U4處的IR Drop最大為226.24mV，超出了芯片的DataSheet規定的浮動(dòng)范圍，過(guò)大的IR Drop會(huì )造成U4的供電電壓不足，使其無(wú)法正常工作。

分析仿真結果，U4的供電電壓經(jīng)LDO轉換，由電感器輸出后有明顯的損耗，檢查電感器后發(fā)現是因為電感器自身的ESR過(guò)大造成了IR Drop過(guò)大。經(jīng)損耗后的電壓到達芯片U4處，由于該區域的電源網(wǎng)絡(luò )覆銅面積過(guò)窄，導致連線(xiàn)上的電阻值較大，從而使得此處的IR Drop進(jìn)一步變大。根據IR Drop分析的結果，可以很快找出電源網(wǎng)絡(luò )的不合理之處，進(jìn)行改進(jìn)，從而確保整個(gè)系統的電源穩固性。依據分析，選用更小ESR的電感器，并且對U4的電源網(wǎng)絡(luò )增加覆銅面積，如下圖所示，整板的IR Drop下降到最大41.10mV，得到了明顯的改善，滿(mǎn)足了主控芯片的IR Drop限值。

Celsius PowerDC 還可以進(jìn)行對通過(guò)過(guò)孔的電流進(jìn)行分析。在核心板的過(guò)孔電流分布圖上可以看到U11、U12電源處過(guò)孔的電流分別為1.172A和937.6mA。此處使用的過(guò)孔孔徑大小為10mil。過(guò)孔的通流能力的計算公式為：

常用且有效的解決辦法是在保證電路信號質(zhì)量的前提下：

1.增加過(guò)孔的數量：但要放置得當，避免形成瑞士干酪狀布局

2.增加過(guò)孔的孔徑：由于此處區域的走線(xiàn)過(guò)于密集，增大孔徑會(huì )導致與過(guò)孔附近的線(xiàn)短路，所以此處選擇在走線(xiàn)的間隙間添加過(guò)孔數量來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。

在U11、U12靠近GND引腳處，將回流過(guò)孔均增加到3個(gè)，共同分擔電流。如圖4所示，優(yōu)化后U11、U12的回流過(guò)孔上的電流分別降為最高556.6mA和501.4mA，效果顯著(zhù)。

長(cháng)久以來(lái)備受工程師喜愛(ài)的口碑工具 Sigrity PowerDC 已升級為 Celsius PowerDC，在原有 PowerDC 高效簽核 IC封裝和 PCB 的直流分析基礎上，整合了 Celsius 電熱協(xié)同仿真，最大限度提升精度。整合升級后的 Celsius PowerDC 可以快速精準定位過(guò)度的壓降，以及電流密度過(guò)大的區域和熱點(diǎn)，從而最大限度地降低設計故障風(fēng)險。如感興趣，歡迎留言聯(lián)系我們~