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电源平面分明绰绰有余,直流压降缘何岌岌可危?

助工
2020-02-17 18:04:21    评分

一博科技自媒体高速先生 原创文 | 姜杰

新年新气象,改板新问题。说出来你可能不信,90A的电流,电源平面留足两层2oz铜,电源直流压降仿真居然挂了!事出反常必有妖,且跟高速先生一起一探究竟。

都说节前忙疯,节后放松,高速先生的这个开年却不太轻松,因为新春伊始就来了个急活:客户的一个加急改板有电源仿真需求。Layout攻城狮雷工(没错,还是那个雷工《400A的电源,就问你怕不怕?》)也够给力,半天功夫就把电源改了出来,为了配合交期,先把过程版本的文件发来进行电源仿真。

电源电压0.85V,电流90A,直流压降要求±3%,同时,为了赶进度,客户这次改板没有改动层叠,仍然保留了之前的两层2oz电源平面。根据高速先生的经验,似乎手到擒来不费力,一切尽在掌握里,实际的情况却是事与愿违,IR-drop仿真得到的直流压降偏偏不过关!
幻觉,这一定是幻觉。于是,回过头仔细从层叠复查起:电源平面层数和铜厚没问题。
再看铺铜处理,电源平面的户型方正、边角精修,还有额外赠送面积(除电源平面层,信号层也有补充铺铜),铜皮既没有出砂孔隔断,又没有瓶颈区域,也没毛病。
莫非电源模块(VRM)距离用电芯片(SINK)太远导致路径上的直流压降超标?可是,检查发现二者平均距离也就40mm左右,产生的压降不至于太大。
分析至此,问题仿佛陷入了死胡同。没奈何,只能生成完整的仿真报告逐项核对,看看能不能找到点蛛丝马迹,结果,还真就揪出了“元凶”!
回流平面(GND)的压降居然有53.5mV!也就是说整体3%的压降要求,仅仅GND的压降就已经超标,达到了6.3%!
这不科学,6层0.5oz的GND平面怎么会有这么大的直流压降?一查单板GND层,一口老血差点没憋住,结果令人啼笑皆非:PCB文件中只铺了一层GND平面!这可真是“一顿操作猛如虎,回流平面忘了补”。雷工的解释云淡风轻:“赶时间嘛,电源平面处理好就能仿电源了吧,至于GND平面,还在处理反焊盘,为了不耽误仿真,就先象征性的铺了一层。”
听到如此淡定的理由,高速先生不淡定了:这种想法很危险,如果不扼杀在摇篮里,在可预见的未来,电源仿真会遇到更多的“灵异事件”。为了让雷工迷途知返,高速先生在保持电源设计相同的情况下,对比了不同的GND平面数量对电源直流压降的影响。恢复了6层GND平面,仿真结果如下,回流平面的直流压降仅为10.2mV,用电芯片端的直流压降也可以满足±3%的要求:
减少至4层GND平面,回流平面的直流压降增加到14.6mV:
减少至2层GND平面,回流平面的直流压降继续增加,至28mV:
不难发现,随着GND平面的减少,GND平面上的直流压降随之增大,从而导致电源回路的整体压降恶化,最差的情况就是压降超标,所以仅保留一层GND平面时,回路路径的压降达到53.5mV也就不足为奇了。原理很简单:电源回路的直流压降分为两个部分,除了电源路径上的压降,还要考虑回流路径上的压降,二者的处理同等重要。
在铁的事实面前,雷工终于放弃了顽固的抵抗,流下了悔恨的泪水认识到了问题的严重性,羞愧的低下了头。





关键词: 电源     仿真     电源模块     芯片    

助工
2020-02-17 20:13:45    评分
2楼

很有趣的帖子哈


助工
2020-02-17 20:18:36    评分
3楼

说得有理有据 不可不服哈


助工
2020-02-18 14:35:45    评分
4楼

学习学习


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