當(dāng)前數(shù)字系統(tǒng)的核心供電電壓越來(lái)越低，而總的工作電流和布線密度則越來(lái)越大，從而導(dǎo)致直流問(wèn)題日益突出。為了設(shè)計(jì)一個(gè)穩(wěn)定可靠的電源系統(tǒng)，PI 仿真中的 IR Drop 直流壓降仿真已被視作高速電路設(shè)計(jì)過(guò)程中不可或缺的環(huán)節(jié)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(xiàn)象，是指電路在直流工作時(shí)由直流電阻造成的電壓降。當(dāng)前芯片的制作工藝已突破到納米級(jí)別，同時(shí)電路板上的走線也越來(lái)越密集，導(dǎo)致單位面積內(nèi)電流急劇上升，再加上芯片與芯片之間的金屬互聯(lián)線寬度越來(lái)越窄，這就使得整個(gè)電源網(wǎng)絡(luò)上的電阻值變大，當(dāng)電源電流從電源端到達(dá)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(shè)計(jì)一個(gè)電路板時(shí)，常常由于電源網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理而導(dǎo)致許多的IR Drop問(wèn)題。這些問(wèn)題表現(xiàn)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(qū)域電流密度過(guò)大，引起此區(qū)域溫度持續(xù)升高甚至燒

（3）I/O網(wǎng)絡(luò)上的電阻過(guò)大，導(dǎo)致有用信號(hào)的嚴(yán)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 軟件是一款專門用于電源完整性分析的工具，主要用于確?？煽康碾娫垂?yīng)。對(duì)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(fù)載端）的直流壓降問(wèn)題，這對(duì)于維持電源供應(yīng)的穩(wěn)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(shè)計(jì)者優(yōu)化布線，減少電磁干擾和提高信號(hào)完整性。并最終將分析結(jié)果以 2D 和 3D 的形式直觀展現(xiàn)，使用戶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(shù)。

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(shù)據(jù)頻率可達(dá)1.6GHz，接口電壓DDR_IO為1.35V/1.5V。

仿真過(guò)程

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

從電壓分布圖上可以直觀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(guī)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(jié)果，U4的供電電壓經(jīng)LDO轉(zhuǎn)換，由電感器輸出后有明顯的損耗，檢查電感器后發(fā)現(xiàn)是因?yàn)殡姼衅髯陨淼腅SR過(guò)大造成了IR Drop過(guò)大。經(jīng)損耗后的電壓到達(dá)芯片U4處，由于該區(qū)域的電源網(wǎng)絡(luò)覆銅面積過(guò)窄，導(dǎo)致連線上的電阻值較大，從而使得此處的IR Drop進(jìn)一步變大。根據(jù)IR Drop分析的結(jié)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(tǒng)的電源穩(wěn)固性。依據(jù)分析，選用更小ESR的電感器，并且對(duì)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，滿足了主控芯片的IR Drop限值。

Celsius PowerDC 還可以進(jìn)行對(duì)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(jì)算公式為：

常用且有效的解決辦法是在保證電路信號(hào)質(zhì)量的前提下：

1.增加過(guò)孔的數(shù)量：但要放置得當(dāng)，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(qū)域的走線過(guò)于密集，增大孔徑會(huì)導(dǎo)致與過(guò)孔附近的線短路，所以此處選擇在走線的間隙間添加過(guò)孔數(shù)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(dān)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。

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