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不改平面不加層,微調(diào)走線抬電平

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發(fā)表于 2022-10-20 14:26:18 | 只看該作者 回帖獎(jiǎng)勵(lì) |倒序?yàn)g覽 |閱讀模式
作者:一博科技高速先生成員  姜杰
設(shè)計(jì)組有個(gè)小伙子叫小博,入職剛滿一年,今天收到了公司發(fā)來(lái)的暖心郵件。
) z+ h% k% i! j$ t+ |$ o
他卻高興不起來(lái),因?yàn)樽蛲硎盏搅艘环怆娫捶抡娼Y(jié)果的郵件:自己獨(dú)立接手的第一個(gè)設(shè)計(jì)任務(wù),到了投板的節(jié)骨眼,直流壓降有問(wèn)題。! D& g; M  A6 U/ O/ L1 @3 n
正可謂:
* k9 e5 z, t/ H曾因壓降夜難寐,猶為阻抗困愁城。
9 o' }% O& R3 w+ Y. f世間無(wú)限丹青手,一片憂心畫不成。  @" W: p4 v  C; ?" f
小博一夜難眠,一大早就來(lái)求助高速先生。

: r# |3 T1 T  T+ |1 }9 ^+ I
看著小博急切又期待的眼神,高速先生認(rèn)真查了下板,最后給出的建議是,問(wèn)題不大,不改平面不加層,動(dòng)動(dòng)走線就能行。小博半信半疑……/ i. T1 @! O& x$ s  o
電源的直流壓降,作為衡量電源性能的一個(gè)重要指標(biāo),用電芯片端的要求通常會(huì)以電壓百分比的方式給出,例如下表的DDR5的VDD,直流壓降要求為-3%~+6%
! F/ v4 J& D9 v. B) ]6 [9 K
不過(guò),越來(lái)越多的芯片手冊(cè)直接對(duì)電源路徑的直流電阻提出要求,以DCR(Direct Current Resistance)阻值的形式給出。
1 w5 |; ^! z+ L/ U4 d* e% v8 M

" ]# g9 a- b) R9 p& y再來(lái)看看小博遇到的這個(gè)電源,電源電壓0.85V,用電芯片端的壓降要求:-1%~-+1%.
1 _1 F  C- O) K9 O, u8 H/ s2 k原設(shè)計(jì)文件的仿真結(jié)果如下:VRM輸出916mV,到達(dá)用電芯片的電壓為833mV,不滿足壓降要求。- }5 ~3 b! P. u) t/ n  I

4 C4 U# F5 Y7 g  g
/ ~" O+ x9 ^, G6 P% L此時(shí),電源DCR為2.66mΩ。( h# Q9 c, A% @! C: i& \) d

4 t8 g' d' L8 F- H( s# A9 c5 v5 Q$ W# y( K  b' ?) ?
按照高速先生的建議,微調(diào)走線后,用電芯片的電壓增加至846mV。

3 k" f- {$ p# x* n( s3 ^. L8 [+ G' }
結(jié)果竟然達(dá)標(biāo)了!小博驚掉了下巴,這……- w  q* P% x  Q8 G

+ V# v: z) ?7 c5 m7 J$ e% L1 i& }
7 [9 L3 A; v' q$ w, `* Z6 w電源DCR卻保持不變,仍然是2.66mΩ4 O6 }2 X" i9 b  q! |4 h
+ o. m! \: c+ _& O" G9 R. E
. S( s' r$ ^! R2 K
修改前后的電源通道完全沒(méi)有變化,電源DCR均為2.66mΩ,可是用電芯片端的電壓怎么就神奇的抬起來(lái)了呢?玄機(jī)就在電源輸出的變化。
, t8 o* y1 m8 k( K9 s修改前,VRM輸出916 mV。
2 y; A0 d% i% P0 P+ g0 _) F- |) O. |2 y- q  j  K+ [6 c- L
5 c# e6 u" W9 I) k7 W1 `
修改后,VRM輸出增加至929mV。1 R/ |  h4 }6 p9 G5 {7 }

2 C5 F$ g: |; l% v
, F+ T; F9 r$ G1 U3 }VRM輸出電平抬高,電源路徑壓降不變,用電芯片端的電壓可不就水漲船高嘛。1 ?6 p9 v4 A, ?# c
有經(jīng)驗(yàn)的layout攻城獅應(yīng)該已經(jīng)猜到了小博的問(wèn)題出在哪了。
6 E9 e$ Z7 o4 Y- n! E0 G8 W: }5 M* B2 p8 @" h
: `, H) t8 `- _+ O. E
沒(méi)錯(cuò),由于經(jīng)驗(yàn)不足,小博原設(shè)計(jì)的電壓反饋點(diǎn)設(shè)置在了近端,太靠近VRM。
0 O! R& l1 I6 ^" p6 y  A
為了抬高VRM的輸出電平,高速先生建議將反饋點(diǎn)調(diào)整至遠(yuǎn)端,修改后的版本如下,靠近了用電芯片:, L" {2 c3 T; u( A9 n0 q4 p
5 r: [8 ?* v0 ~; {
% x) e6 L: }% A4 N5 T; W
僅通過(guò)調(diào)整VRM的電壓反饋?zhàn)呔,不涉及電源平面和層疊的修改,就能讓用電芯片的電壓滿足要求,簡(jiǎn)直是懶人福音,不過(guò),前提是VRM有電壓反饋的功能,而且,電壓輸出調(diào)整幅度也有一定的范圍,不能任性。! a) |: j: G( H% n3 N6 d5 d& P
與電壓百分比的方式相比,有些芯片手冊(cè)對(duì)電源DCR提出要求也有它的道理,它可以更加直接的反映電源通道本身的參數(shù)。作為電源通道的重要組成部分,電源平面可以視為方塊電阻,而方塊電阻的阻值與面積和厚度有關(guān),因此,DCR的大小也與銅皮的有效面積和厚度有關(guān)系。+ o8 d  b+ p' m+ h
這里可以再做個(gè)仿真對(duì)比,說(shuō)明DCR的變化對(duì)電源的影響。還是使用上面的仿真文件,為了簡(jiǎn)化問(wèn)題,刪除了電壓反饋線,VRM輸出電壓將保持為0.85V,對(duì)比不同銅厚帶來(lái)的變化。按照當(dāng)前的電源平面和層疊設(shè)置,直流壓降仿真結(jié)果如下:

4 J9 q- T: r0 x5 q7 s" J
因?yàn)橥ǖ罌](méi)有變化,電源路徑直流壓降仍然是83mV,電源DCR也保持不變,2.66mΩ。% Q% B9 }+ k6 s. N0 p  `' D
我們把電源平面的銅厚由1oz增加到2oz,其它不變,再來(lái)看看仿真結(jié)果:
  P# {5 |- D% ~, s" G# y8 L
由于電源平面的銅厚增加,電源DCR由2.66mΩ減小到2.48mΩ,直流壓降也從83mV降低至76mV。由此可見,電源通道本身的優(yōu)化確實(shí)可以減小DCR,進(jìn)而改善壓降。& f! D3 [( ?4 P1 u% O$ X
經(jīng)驗(yàn)豐富的攻城獅都知道,在單板設(shè)計(jì)后期改動(dòng)電源通道耗時(shí)費(fèi)力,因此根據(jù)壓降和通流要求提前規(guī)劃電源就顯得格外重要。當(dāng)然了,走彎路也是學(xué)習(xí)的一種方式,雖然效率不是最高的,但是,一定是記憶最深刻的,小博應(yīng)該深有感觸。5 g. _" {& n3 u0 \* m+ o; |- L( c
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