采用 Celsius PowerDC 仿真分析8层高速核心板的IR Drop和过孔电流

 

当前数字系统的核心供电电压越来越低，而总的工作电流和布线密度则越来越大，从而导致直流问题日益突出。为了设计一个稳定可靠的电源系统，PI 仿真中的 IR Drop 直流压降仿真已被视作高速电路设计过程中不可或缺的环节之一。

IR Drop 指的是电源和地网络上电压的下降或者升高的一种现象，是指电路在直流工作时由直流电阻造成的电压降。当前芯片的制作工艺已突破到纳米级别，同时电路板上的走线也越来越密集，导致单位面积内电流急剧上升，再加上芯片与芯片之间的金属互联线宽度越来越窄，这就使得整个电源网络上的电阻值变大，当电源电流从电源端到达器件端时就会损失一部分电压，因此在电源网络的局部会存在一定的IR压降。

在实际设计一个电路板时，常常由于电源网络结构设计不合理而导致许多的IR Drop问题。这些问题表现为：

（1）电路板上的器件由于过压或者欠压而不能正常的工作。

（2）局部区域电流密度过大，引起此区域温度持续升高甚至烧

（3）I/O网络上的电阻过大，导致有用信号的严重衰减。‍

 

仿真案例

本文我们将采用 Celsius PowerDC 仿真分析8层高速核心板的IR Drop和过孔电流。
 

Celsius PowerDC 软件是一款专门用于电源完整性分析的工具，主要用于确保可靠的电源供应。对于承受高电流且工作在低电压条件下的产品，Celsius PowerDC 能提供精确的电性能分析。它能够分析从VRM（电压管理模块）到 SINK（负载端）的直流压降问题，这对于维持电源供应的稳定性至关重要。同时，它还能提供过孔与平面电流密度分析，通过分析过孔和平面的电流密度，Celsius PowerDC 可以帮助设计者优化布线，减少电磁干扰和提高信号完整性。并最终将分析结果以 2D 和 3D 的形式直观展现，使用户能够清晰地看到电流流动、热点分布和其他关键参数。

HI3516D是一块8层高速核心板的芯片，主频 0.9GHz，供电电压 VDD_CORE 为1.1V；DDR3 数据频率可达1.6GHz，接口电压DDR_IO为1.35V/1.5V。

 

 

仿真过程

我们将根据实际选用材料，将软件中的电路板板材设置为FR4，芯板介质层设置为铜，过孔的铜壁厚度设置为1.4mil，填充材料使用SolderMask.以下为仿真结果，如下图所示。

从电压分布图上可以直观看出核心板电源模块的分布位置及走向。主控芯片U4处的IR Drop最大为226.24mV，超出了芯片的DataSheet规定的浮动范围，过大的IR Drop会造成U4的供电电压不足，使其无法正常工作。

分析仿真结果，U4的供电电压经LDO转换，由电感器输出后有明显的损耗，检查电感器后发现是因为电感器自身的ESR过大造成了IR Drop过大。经损耗后的电压到达芯片U4处，由于该区域的电源网络覆铜面积过窄，导致连线上的电阻值较大，从而使得此处的IR Drop进一步变大。根据IR Drop分析的结果，可以很快找出电源网络的不合理之处，进行改进，从而确保整个系统的电源稳固性。依据分析，选用更小ESR的电感器，并且对U4的电源网络增加覆铜面积，如下图所示，整板的IR Drop下降到最大41.10mV，得到了明显的改善，满足了主控芯片的IR Drop限值。

Celsius PowerDC 还可以进行对通过过孔的电流进行分析。在核心板的过孔电流分布图上可以看到U11、U12电源处过孔的电流分别为1.172A和937.6mA。此处使用的过孔孔径大小为10mil。过孔的通流能力的计算公式为：
 

常用且有效的解决办法是在保证电路信号质量的前提下：

1.增加过孔的数量：但要放置得当，避免形成瑞士干酪状布局

2.增加过孔的孔径：由于此处区域的走线过于密集，增大孔径会导致与过孔附近的线短路，所以此处选择在走线的间隙间添加过孔数量来进行优化。

在U11、U12靠近GND引脚处，将回流过孔均增加到3个，共同分担电流。如图4所示，优化后U11、U12的回流过孔上的电流分别降为最高556.6mA和501.4mA，效果显著。

 

 

 

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