復(fù)雜電路系統(tǒng)電源及PDS設(shè)計(jì)

現(xiàn)代大型集成電路，比如CPU、大型FPGA等消耗的電流往往達(dá)到數(shù)安到幾十A，并且一些復(fù)雜系統(tǒng)電源種類繁多，因此電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)是否合理往往成為系統(tǒng)能否穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)應(yīng)該包含電源評估、電源供電電路設(shè)計(jì)和功率分布系統(tǒng)（Power distribution system 簡稱PDS）三個(gè)方面。本文分別探討這三個(gè)方面的一般設(shè)計(jì)方法和思路。

一、電源評估
評估電源是電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的第一步，也是最重要的一步，決定了電源設(shè)計(jì)的成敗。在設(shè)計(jì)電源的時(shí)候應(yīng)該已經(jīng)完成了整個(gè)系統(tǒng)的框圖設(shè)計(jì)并基本選定了其中重要的IC芯片，這時(shí)我們需要參考數(shù)據(jù)手冊Datasheet獲得每一個(gè)IC的工作電壓及消耗電流，并繪制下面這樣一張表：
 表一、 IC電源評估表

1. 電源類型
電源類型可以分為模擬和數(shù)字兩大類，模擬電源是指為PLL、ADC/DAC等模擬電路供電的電源；而數(shù)字電源主要是為數(shù)字電路供電，它又可以分為核心電源（主要為集成電路的核心邏輯電路供電，比如FPGA 核心電、壓源）和I/O電源（主要為I/O接口供電），現(xiàn)代大型IC的供電一般核心電壓和I/O電源是分開供電。
2. 電壓值
電壓值一般包含最小、典型和最大值，一般設(shè)計(jì)的電路電源應(yīng)該工作在典型工作電壓上，并且電源波動(dòng)范圍不應(yīng)該超過最小和最大值的范圍。
3. 電流
在設(shè)計(jì)電源時(shí)電流值應(yīng)該考慮最Worst的情況，比如大型FPGA系統(tǒng)電流可能會隨著使用邏輯門的多少而相差很多；在設(shè)計(jì)供電電路時(shí)在評估的最大電流基礎(chǔ)上要提供一定的設(shè)計(jì)余量。[!--empirenews.page--]
4. 功耗
統(tǒng)計(jì)每個(gè)電源的功耗是為了更合理的分布電源Tree，參考電源樹一節(jié)。

在獲取每個(gè)IC的電源參數(shù)后，我們需要繪制下面這樣一張統(tǒng)計(jì)表，這一步是為了電源電路的設(shè)計(jì)和規(guī)劃電源Tree做準(zhǔn)備。

二、電源電路設(shè)計(jì)
 1. 模擬電源
  模擬電源往往為PLL、ADC/DAC、電流源等等模擬電路供電，它們的特點(diǎn)是電流較小，一般在幾十mA到幾百mA之間，并且對電源紋波敏感。因此模擬電源電路的設(shè)計(jì)往往選擇LDO等，我們稱為線性電源；并且對電源在IC引腳輸入處要采取LC或鐵氧體進(jìn)行濾波以進(jìn)一步減小電源紋波。其典型原理如圖1所示：

 
 
圖1

2. 數(shù)字電源
  數(shù)字電源一般為邏輯電路供電，它們要求往往電壓較小，但是電流很大。比如現(xiàn)代X86 CPU的核心電源一般在1V左右，但是供電電流可以達(dá)到幾十安。并且由于CPU內(nèi)部的省電狀態(tài)的切換，電流的變化也很大（最省電和全速狀態(tài)工作電流可能相差幾十倍）。[!--empirenews.page--]
這類電源的設(shè)計(jì)一般選用數(shù)字調(diào)制的開關(guān)電源，這類電源一般由一個(gè)PWM控制器和外部輸出MOS管、BOOT電路、反饋網(wǎng)絡(luò)、LC濾波電路組成；另外也有些可以提供較大電流的LDO電源可以選用。對于超大電流供電時(shí)還需要考慮使用多項(xiàng)供電。下圖是一個(gè)單相PWM供電電路的原理圖：
 
圖2
3. 電源Tree的繪制
在選擇好電源的供電芯片后可以開始電源Tree的繪制，我們以典型的主板供電電路為例介紹。首先主板采用的外部供電電源來自一個(gè)350W電源，它分為12V、5V、5Vsus和3.3V輸入，而主板上使用的電源有12V、5V（待機(jī)電壓5Vsus）、3.3V（待機(jī)電壓3.3Vsus）、CPU核心電壓Vcore_cpu、CPU的PLL模擬電源、前端總線電源、內(nèi)存1.8V電源（待機(jī)電壓1.8Vsus）等等。其實(shí)一個(gè)主板上還有更多其他的電源，比如芯片組電源等等。我們需要合理的分配每路電源，保證每條電源路徑末端的總功率不要超過前端電源的供電能力。最終我們應(yīng)該繪制出一幅類似如圖3所示的電源Tree（僅為示意圖）：

 
圖3
當(dāng)然，對于一個(gè)簡單的系統(tǒng)設(shè)計(jì)起電源可能沒有這么復(fù)雜。

4. 電源上電時(shí)序
對于較為復(fù)雜的系統(tǒng)，在繪制完電源Tree的基礎(chǔ)上我們應(yīng)該根據(jù)電源的上電順序和系統(tǒng)復(fù)位等信號的要求繪制出具體而明確的上電時(shí)序圖，如圖4所示。并根據(jù)該上電時(shí)序圖指導(dǎo)電源設(shè)計(jì)時(shí)電源IC的上電先后順序。
 
圖4

三、 PDS系統(tǒng)設(shè)計(jì)
PDS系統(tǒng)的設(shè)計(jì)最重要的部分就是退耦和旁路電容選擇和分布，很多人認(rèn)為旁路和退耦的作用是一樣的，而實(shí)際上是不同的。[!--empirenews.page--]
1. 退耦和旁路電容工作原理
1） 旁路的模型如圖
 
當(dāng)IC內(nèi)部出現(xiàn)高頻的電流波動(dòng)，比如I/O或門的開關(guān)，這些高頻的瞬態(tài)電流變化如果從電源吸取電流會引起電流的高頻波動(dòng)，而電流源的內(nèi)阻和電源走線在高頻時(shí)呈感性阻抗L，頻率越高阻抗越大，從而引起IC電源引腳處較大的壓降。因此在靠近IC電源引腳放置電容Cbp為IC提供瞬態(tài)電流，在瞬態(tài)電流變化時(shí)IC引腳會從低阻抗的電容C上吸取電流（理論上電流可以從電源線和電容兩條途徑流動(dòng)，但是電容阻抗低，所以電流會主要沿著電容流動(dòng)）。電容電壓下降后會從電源線上補(bǔ)充電荷。本質(zhì)上旁路電容的作用減少電源線上的瞬態(tài)（高頻）電流波動(dòng)。 旁路電容為高頻充放電提供電荷，因此它的ESR和ESL（包含到電源引腳引線電感）應(yīng)該盡量低，盡量靠近電源引腳，常用的旁路電容是小容量的（0.1uF、0.01uF等）陶瓷電容。

2） 退耦的模型如圖
 
電路IC1上不可避免的會在電源線上產(chǎn)生一些噪聲或者電流波動(dòng)（主要是較低頻段，因?yàn)楦哳l的電流波動(dòng)可以被它的旁路電容消除），如果一個(gè)電源同時(shí)為多個(gè)IC模塊供電，其中一個(gè)IC上的噪聲就會傳遞到另外一個(gè)IC電路。為了減少模塊之間的噪聲耦合放置電容Cdec，它和電源線上的電感組成一個(gè)LC低通濾波電路，當(dāng)噪聲（來自另外一個(gè)電路模塊，或者來自電源本身，比如開關(guān)電源本身輸出電壓就含有大量噪聲）沿著電源線傳遞到某一個(gè)IC時(shí)就會被這個(gè)LC低通濾波器消除。本質(zhì)上退耦電容的作用是避免電源噪聲從一個(gè)電路模塊傳遞到另外一個(gè)模塊。退耦電容要濾除電源線上的較低頻的噪聲，因此LC低通濾波的截止頻率要低一些，同時(shí)Cdec電容還有為后續(xù)電路（包含很多旁路電容）提供電荷、穩(wěn)定電壓的作用，因此電容Cdec容量較大，常采用大容量（幾十到幾百uF）的坦電容。

2. 退耦和旁路電容的大小及位置
退耦和旁路的最終目的是要在IC的電源引腳處產(chǎn)生穩(wěn)定的電壓，它們都要求盡量靠近IC的電源引腳，在實(shí)際的系統(tǒng)中有時(shí)并不需要刻意區(qū)分退耦電容和旁路電容，而統(tǒng)稱為退耦電容。
1） 小容量陶瓷電容（一般0.01uF~0.22uF）作為旁路電容，它的放置原則是盡量減小ESL，一般采用0402封裝，應(yīng)該放置在最靠近電源引腳的地方。現(xiàn)在大量的高密度集成電路采用的都是BGA的封裝，它的所有引腳都在Chip下部，通過引腳ball和PCB版的Top層焊盤相連，電源總線或平面一般通過Via過孔延伸到芯片封裝下部的電源引腳。所以最靠近電源引腳的位置就是芯片封裝的下部PCB的背面，電容的PAD最好和過孔via直接相連。有些芯片也會直接在封裝體substrate上焊有電容，這樣就可以減少在PCB板上的旁路電容數(shù)量。
2） 大容量的退耦電容（一般>33uF），一般封裝比較大，不可能特別靠近芯片的引腳，不過這類電容用于濾除較低頻率的噪聲，對放置的位置不是特別敏感，所以最合適的位置可能在芯片的邊緣靠近芯片的位置。
3） 有時(shí)也會在退耦Cdec和旁路電容Cbp中間放置一些容量在幾個(gè)uF（2.2uF等）的陶瓷電容作為中間級，一般認(rèn)為它們是用來濾除一些中間頻率的噪聲，并為附近的旁路電容提供電荷，這些電容一般采用0805的封裝，也應(yīng)該盡量靠近電源的引腳處。
在選擇具體的電容時(shí)還要考慮到其ESR的大小、噪聲的頻率高低等因素，并確定電容的數(shù)量，有時(shí)還需要通過適當(dāng)?shù)姆抡鎠imulation來幫助設(shè)計(jì)。

3. PDS分布設(shè)計(jì)實(shí)例
例子1
BGA封裝芯片的電源引腳集中在芯片的中心附近，電源通過類似bus的方式連接到芯片的中心區(qū)，可能的電容布局如圖，上下兩邊為0.1uF和0.01uF的小電容，中心為2.2uF的陶瓷電容，坦電容放置在芯片邊緣，具體的布局和過孔的位置需要根據(jù)電源引腳的分布具體的調(diào)整，原則上應(yīng)該是一大一（或幾）小進(jìn)行配對。
 
例子2
采用電源平面的方式，退耦電容放置在芯片邊緣處靠近IC2的地方，IC1/IC3為其他使用該電源的芯片，IC2中心為小電容和中等容量陶瓷電容。