基于DSP+FPGA的机载雷达伺服控制系统(二)电源仿真

news/2025/1/24 18:30:17/
板级电源分配网络的分析与仿真
在硬件电路设计中,电源系统的设计是关键步骤之一,良好的电源系统为电路板
上各种信号的传输提供了保障。本章将研究电源完整性的相关问题,并提出一系列改
进电源质量的措施。
3.1 电源完整性
电源完整性(Power Integrity)简称为 PI,是指电源分配网络(Power Distribution
NetworkPDN)能够满足负载芯片对电源的需求。其设计目标主要有两个:一是为
负载提供干净的供电电压,二是为信号提供低噪声的参考路径[21]
随着芯片开关速度和晶体管数量的不断提高,芯片的功耗不断增加,开关在切换
时所需的瞬态电流需求越来越大,这些变化给电源分配网络的设计提出了巨大的挑战。
电源分配网络主要由如下几部分组成:电源芯片、安装在 PCB 板上的电容以及芯片
内部的电容和电源网络。本文主要针对安装在 PCB 板上的电容、电源和地平面进行
分析。
3.1.1
电源噪声的来源
电源噪声的来源主要包括三个方面:
1)电源芯片输出存在纹波。这部分噪声由芯片的制作工艺以及工作原理等决
定,当选择好电源芯片时,相应的输出噪声就会存在。常用的电源芯片有开关电源和
线性电源两种。开关电源的优点是发热少,转换效率高,一般可以达到 85%,输出电
流大,缺点是输出的波动较大,且可能会有尖峰脉冲,需要在输出端添加磁珠来改善。
而线性电源的发热较为明显,转换效率较低,但是线性电源的输出稳定,纹波较小。
要根据供电要求灵活选用。
(2)稳压电源无法及时响应快速变化的负载电流需求。随着芯片工作频率的不
断提高,芯片需要的电流变化的频率也越来越高,当该频率超过稳压电源的调整频
率时,稳压电源就无法及时为负载提供足够的电流,进而导致输出电压下降,产生
电源噪声。
(3)电源路径和地路径上存在压降[22]。由于电源路径和地路径存在阻抗,当电
流流过这些路径时,就会产生压降,因此负载电压就会随着电流的变化而产生波动。
同时过孔、封装引脚和芯片内部的电源网络也存在阻抗,都会产生压降。
3.1.2
建立仿真模型
仿真软件选择 Cadence 公司的 Allegro PCB PI Option XL 组件,该组件可进行电
源噪声分析和高速 PCB 电源分配系统的设计,其仿真功能主要分为单节点仿真和多
节点仿真两种[23]。单节点仿真仅考虑电容的去耦能力和目标阻抗之间的关系,通过该
仿真可以对比不同去耦电容网络的去耦能力的差别,方便用户选择合适的去耦电容网
络。多节点仿真则会考虑噪声源信号、电容的滤波半径和电容的布局等参数,该仿真
结果更接近真实的情况,通过多节点仿真可以完成去耦电容的布局工作。仿真软件的
基本使用流程如图 3.1 所示。
由于本章的主要内容在于电源完整性相关问题的分析与仿真,故电路模型的设计
重点放在电源分配网络的建立上,不考虑其余的外围电路。按照上述设计流程建立如
3.2 所示的预布局仿真模型。

 

 

如图 3.2 所示,该仿真模型的尺寸为 55*47.5mm,具体电路包括:DSP 控制芯片
TMS320F283351.9V 电源芯片 TPS744013.3V 电源芯片 TPS75633 以及由收发器
MAX490 和光电隔离芯片 HCPL0600 构成的上位通信接口电路;14 芯排针则作为接
插件,引入该模型所需要的 5V 电源。电路的工作频率取 DSP 的工作频率 150MHz
需要说明的是,在进行电源完整性仿真时,DSP 芯片和上位通信接口电路仅起噪声源
的作用,不考虑其实际的电路功能。
在完成预布局的基础上对仿真模型进行电源层划分,该模型所用到的电源有:
1.9V3.3V5V GND。划分好的电源平面如图 3.3 所示。
如图 3.3 所示,该模型的电源层一共划分为 3 层:第(1)层为完整的地平面;
第 (2)层则进行分割,划分为 1.9V 电源平面和 5V 电源平面;
第(3)层为完整的 3.3V
电源平面。各个电源层之间的间距设置为 8mil
3.2 去耦电容
为了使电源芯片的输出能够快速响应负载芯片的需求,主要采用的方法是在电源
芯片的输入输出引脚和负载芯片的供电引脚周围放置去耦电容[24]。本节将重点分析
电容的去耦原理和频域阻抗特性,并通过仿真提出改善电容去耦能力的措施。
3.2.1
电容去耦原理
电容去耦的原理可以从储能和阻抗两个角度进行理解。
1)储能去耦原理
3.4 给出了电容的储能去耦原理,C 为电源芯片外放置的去耦电容组合。当负
载电流保持不变时,电源电压和电容两端的电压也不变,且与负载芯片两端的电压一
致,此时流过电容的电流为零,负载所需的电流由电源提供。当负载芯片的电流快速
变化时,需要电源能够立即提供给负载芯片所需的电流,但是电源往往不能及时响应
负载电流的变化,这就会导致负载芯片的电压产生变化。此时电容两端的电压也会随
着负载电压的变化而变化,电容就会进行充放电并产生电流
为负载芯片提供电流,
从而保证负载芯片的电压不会产生明显的变化[25]
从储能的角度来理解去耦电容的作用比较直观,但是对于电路设计却没有多大的
帮助,因此需要从阻抗的角度理解电容的去耦原理。
(2)阻抗去耦原理
将图 3.4 中的负载芯片去掉,可以得到如图 3.5 所示的模型。从该模型的输出端
看进去,将电源与电容组合 C 当做一个整体的电源系统,即可以简化为图 3.6 所示的
电路。

 

 

 

 

 

然后在仿真模型内添加电压调节模块(VRM)和噪声源,由于 1.9V 电源仅为 DSP
的内核电源引脚供电,因此在 DSP 的位置添加噪声源,并设置噪声电流的最大幅度
0.5A。为了对比不同布局情况下的去耦效果,将分两种方式对去耦电容进行布局。
首先采用第一种方式进行布局,即将小电容均匀放置在最靠近DSP芯片的位置,
而大电容则适当远离 DSP 芯片放置,这种电容布局方式如图 3.17 所示。同时可以看
到,组件会自动在模型中设置多个仿真节点,这里选择位于 DSP 下方的四个仿真节
点进行仿真。多节点仿真结果如图 3.18 所示。
3.3 提升电源质量的措施
通过分析电容的实际特性、并联特性和安装后的特性,对比不同的电容网络选择
方法的去耦效果,可以得出一系列能够改善电源分配网络去耦效果的方法。在电路板
的设计过程中,具体可以采取以下方法来改善电路的电源完整性:
1)要合理选择电源芯片,兼顾转换效率与输出纹波。同时针对不同的场景灵
活选用线性电源和开关电源,比如给对电源比较敏感的模拟电路供电时,可以选择输
出噪声低的线性电源。
(2)去耦电容网络的选择尽量采用 Multi-PoleMP)方法,选择多种电容值的
电容搭配使用,避免使用容值差较大的去耦电容网络,为了兼顾成本与去耦效果,可
以使用 One per decade 方法来选择去耦电容。
(3)摆放电容时要考虑其去耦半径的大小,小电容要靠近芯片,而大电容可以
摆放的远一些。同时去耦电容要均布在芯片四周,不同电压的去耦电容要交替摆放。
(4)安装电容时,减小电容走线的长度,同时要加宽走线的宽度。这样可以保
证其电流回路面积较小,减少了安装电感对电容去耦效果的影响。
(5)电源平面和地平面的层叠设置要合理,尽量使电源平面与其对应的地平面
相邻。分割电源平面时尽量保证形状规则,使平面的阻抗均匀。

 信迈提供高速信号仿真方案。


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