【導(dǎo)讀】1965年時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年專刊寫了一篇觀察評(píng)論報(bào)告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)：每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。摩爾的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的摩爾定律。與摩爾定律相對(duì)應(yīng)，Intel公司的CPU芯片也具有一個(gè)規(guī)律，它的時(shí)鐘頻率大約每?jī)赡昃鸵颖丁486處理器工作于25MHz，而奔騰4處理器的速度達(dá)3GHz以上。數(shù)十億晶體管處理器的處理速度可達(dá)20GHz。隨著處理器等芯片的晶體管數(shù)量和速度的提升，為了解決功耗、散熱等問題發(fā)明了很多新材料和新結(jié)構(gòu)。同時(shí)，互連封裝技術(shù)也在迅速發(fā)展，當(dāng)前，3D封裝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。
前言
● 高速PCB不同種類的電源平面分割后，如何處理直流壓降過大？
● 大電流平面的縫合過孔是不是越多越好？
● 去耦電容是使用相同容量的電容并聯(lián)，還是使用多個(gè)不同容量的電容并聯(lián)？
● 去耦電容的數(shù)量是否是越多越好，如何通過控制電容數(shù)量來節(jié)約成本？
電子產(chǎn)品發(fā)展趨勢(shì)
1965年時(shí)任仙童半導(dǎo)體公司研究開發(fā)實(shí)驗(yàn)室主任的摩爾應(yīng)邀為《電子學(xué)》雜志35周年專刊寫了一篇觀察評(píng)論報(bào)告，題目是：“讓集成電路填滿更多的元件”。在摩爾開始繪制數(shù)據(jù)時(shí)，發(fā)現(xiàn)了一個(gè)驚人的趨勢(shì)：每個(gè)新芯片大體上包含其前任兩倍的容量，每個(gè)芯片的產(chǎn)生都是在前一個(gè)芯片產(chǎn)生后的18-24個(gè)月內(nèi)。摩爾的觀察資料，就是現(xiàn)在所謂的摩爾定律。與摩爾定律相對(duì)應(yīng)，Intel公司的CPU芯片也具有一個(gè)規(guī)律，它的時(shí)鐘頻率大約每?jī)赡昃鸵颖丁486處理器工作于25MHz，而奔騰4處理器的速度達(dá)3GHz以上。數(shù)十億晶體管處理器的處理速度可達(dá)20GHz。隨著處理器等芯片的晶體管數(shù)量和速度的提升，為了解決功耗、散熱等問題發(fā)明了很多新材料和新結(jié)構(gòu)。同時(shí)，互連封裝技術(shù)也在迅速發(fā)展，當(dāng)前，3D封裝已經(jīng)廣泛應(yīng)用于部分消費(fèi)類電子產(chǎn)品中。
摩爾定律作為電子制造產(chǎn)業(yè)鏈的金科玉律，一直屹立于科技發(fā)展的前沿，給整個(gè)電子制造產(chǎn)業(yè)鏈指明了非常明晰的發(fā)展方向，可謂厚澤萬物。電子產(chǎn)業(yè)在摩爾定律的驅(qū)動(dòng)下，產(chǎn)品的功能越來越強(qiáng)，集成度越來越高，信號(hào)的速率越來越快，產(chǎn)品的研發(fā)周期也越來越短。
高速電路電源完整性設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn)
集成電路沿摩爾定律發(fā)展的趨勢(shì)為當(dāng)代電子系統(tǒng)的電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）設(shè)計(jì)與電源完整性（PI）分析提出了日益嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)：
1.低電壓供電的芯片集成度越來越高
電壓越低，每個(gè)器件引腳上需要的電流就越大，就會(huì)導(dǎo)致直流壓降越大；電壓越低，控制壓降的要求就越嚴(yán)，典型的電壓要求通常為±5%，這就意味著允許的直流壓降更小。器件集成度越高，集成電路周圍的走線就會(huì)越密，從而導(dǎo)致電源網(wǎng)絡(luò)中的電流密度更高，直流壓降也更大。
2.PCB設(shè)計(jì)向高速高密度發(fā)展
目前，PCB上的空間越來越小，信號(hào)走線越來越密，沒有多少地方可實(shí)現(xiàn)寬敞的電源平面。這樣的結(jié)果是，電源平面和地平面都會(huì)被其他網(wǎng)絡(luò)過孔周圍的反焊盤所穿透，如下圖所示。由于層面有很多孔洞，顯然可供電流流動(dòng)的路徑就會(huì)變得更細(xì)，因此，電源平面的電阻就會(huì)變得更大，導(dǎo)致直流壓降也更大。
3.PDN去耦電容優(yōu)化難度增加
電源的PDN系統(tǒng)要求每個(gè)系統(tǒng)元件都能得到正常工作電壓，那么就要對(duì)電源進(jìn)行阻抗控制。只要電源阻抗控制在目標(biāo)阻抗以下，那么電壓傳輸就會(huì)有一個(gè)良好的性能保障。而實(shí)際設(shè)計(jì)中，PDN上連接了種類數(shù)量眾多的各種去耦電容器，它們是PDN最重要的組成部分，幾乎就決定了PDN的質(zhì)量。PDN能有效地抑制噪聲到底需要多少個(gè)電容？這些電容放置在哪？怎么安裝？如何在保證電源良好的性能基礎(chǔ)上，通過刪減電容來減輕PCB布局的緊張，進(jìn)而還能節(jié)約設(shè)計(jì)成本是電源完整性分析的一大挑戰(zhàn)。
4.大電流下的電熱協(xié)同分析
隨著芯片的集成度越來越高，芯片電源的供電電流越來越大，無源鏈路上產(chǎn)生的功率損耗也越來越大。此部分的損耗會(huì)以熱的方式呈現(xiàn)出來，從而導(dǎo)致熱設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)，同時(shí)無源鏈路也會(huì)受到溫度的影響，所以大電流下的電熱協(xié)同分析就顯得特別重要。
綜上所述，目前高速電路電源完整性面臨著低電壓供電的芯片集成度越來越高，PCB設(shè)計(jì)向高速高密度發(fā)展，PDN去耦電容優(yōu)化難度增加，大電流下的電熱協(xié)同分析等各種挑戰(zhàn)。為了能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定運(yùn)行，為芯片提供穩(wěn)定的電源和電流，提高電源質(zhì)量，降低系統(tǒng)的總體電源阻抗，提高產(chǎn)品的可靠性和穩(wěn)定性。芯和半導(dǎo)體推出了全面的電源完整性仿真分析解決方案Hermes PSI。
芯和半導(dǎo)體高速電路電源完整性解決方案
Hermes PSI是一款面向電子產(chǎn)品進(jìn)行電源完整性分析、信號(hào)與電源協(xié)同分析、電熱協(xié)同分析的工具，設(shè)計(jì)師可利用此工具導(dǎo)入PCB板和封裝設(shè)計(jì)文件以及他們的物理結(jié)合，還可幫助設(shè)計(jì)師進(jìn)行die和電源調(diào)整模塊模型結(jié)合的端到端的電源完整性頻域AC阻抗分析、DC壓降分析、時(shí)域紋波噪聲分析。最終為電子產(chǎn)品提供最佳競(jìng)爭(zhēng)力的電源完整性解決方案。
1.DC壓降分析
Hermes PSI能夠識(shí)別PCB/SiP設(shè)計(jì)中潛在的直流壓降等問題。如過多的直流壓降，可能會(huì)導(dǎo)致IC器件出現(xiàn)故障。還有過高的電流密度或過大的過孔電流，可能會(huì)導(dǎo)致PCB/SiP的損壞。所有的仿真結(jié)果都可以通過圖形化的方式查看，同時(shí)也能夠生成仿真報(bào)告，這些都將幫忙工程師快速定位電源分配的DC問題。
2.AC頻域阻抗分析
Hermes PSI能夠幫助設(shè)計(jì)師優(yōu)化電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN），通過AC opt分析可以確定PDN有效地抑制噪聲最少需要多少個(gè)電容？能夠幫助工程師得到最佳性能、最小面積、最小成本的分析結(jié)果。
3.電熱協(xié)同仿真分析
Hermes PSI能夠通過無源鏈路功率損耗作為熱源進(jìn)行系統(tǒng)熱分析，同時(shí)系統(tǒng)熱分析的溫度分布作為無源鏈路分析的輸入，經(jīng)過多次迭代分析最后達(dá)到熱平衡。進(jìn)而得到真正意義上的PCB/SiP電熱分析結(jié)果。
總結(jié)
本文介紹了高速電路電源完整性設(shè)計(jì)面臨的多種挑戰(zhàn)。芯和半導(dǎo)體針對(duì)這些挑戰(zhàn)，提出了最佳競(jìng)爭(zhēng)力的電源完整性解決方案，設(shè)計(jì)者可以輕松實(shí)現(xiàn)PCB/SiP設(shè)計(jì)的DC壓降分析、AC頻域阻抗分析、電熱協(xié)同仿真分析等，幫助設(shè)計(jì)者降低了設(shè)計(jì)冗余，規(guī)避潛在風(fēng)險(xiǎn)，縮短了產(chǎn)品開發(fā)周期，同時(shí)也相應(yīng)的降低產(chǎn)品成本。
來源：芯和半導(dǎo)體
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