高速信号の設計ではシグナルインテグリティと共にパワーインテグリティが大きな問題となります。パワーインテグリティの目的は、良質な電力供給によりクリーンな高速信号伝送を実現することにあります。良質な電力供給とは、具体的には1) DC電力の要件を満たし、かつ 2) AC電流スイッチによる電源変動の影響を抑制するものを指します。以下では、CST PCB STUDIO(CST PCBS)によるパワーインテグリティ シミュレーションのワークフローをご紹介します。なお、評価ボードとして 1信号 2電源 3信号 4信号 5グラウンド 6信号 の構成による6層基板を使用します。
本事例では1.8V電源プレーンを使用します。この電源プレーンに2つのI/O部品、U7(グラフィックプロセッサ)とU8(DDR2 RAM)が接続されています。DC電圧降下を正確にとらえるためには、これらの部品の電気特性を正確に考慮することが重要です。必要な情報は次の二つです:1) 給電用DC-DC変圧器の出力電圧(通常は電源プレーンのラベル名から読み取り可能)、2) 電源プレーンに接続されている高速ドライバ(I/O部品)の消費電力の総量。本事例では、U7部品の電流は350mA、16ピンのU8部品では190mAです。図1は1.8V電源プレーンとそこに接続された部品を、図2はIR ドロップシミュレーションでセットアップされた情報を示します。
図1:1.8V電源プレーン(白枠)と接続された部品、U3(電源)、U7およびU8(I/O)
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図2:IRドロップシミュレーションのダイアログ: I/O部品の給電電圧と電流を入力
解析結果の電圧分布(1.8V電源プレーンの電圧分布)を図3に示します。電圧変動の許容範囲は±0.1Vであり、上下の差は0.2Vです。DCノイズマージンは通常20%ほどですので、本事例のドライバはI/O部品の電気的要件を満たします。
図3:1.8V電源プレーンの電圧分布
図4:電源分配網(PDN)
PDNインピーダンスは、ターゲットインピーダンスを求めることで簡単に最小化できます。このターゲットインピーダンスは下式で計算されます:
図5:PDNインピーダンス最小化の基準となるターゲットインピーダンスの式
電圧変動のノイズマージン0.2Vについて、その20%がDCノイズマージンであれば、ACノイズマージンは80%、すなわち0.16Vとなります。AC電流540mAとすると電源プレーンのターゲットインピーダンスは0.29 ohmとなり、これをもって電圧変動の最大許容値を満足するPDNインピーダンスのゴール値が定義できます。
PDNインピーダンスは、各ドライバピンに注目することにより定義できます。U8部品のA1ピンによるPDNインピーダンスを図6に示します(ベアボード:緑色)。このインピーダンスは低い周波数では容量性を、高い周波数では誘導性を示し、典型的なV字カーブとなります。683MHzにあるピークは、電源プレーンの共振によるものです。ここで、電源プレーンとグラウンドプレーンの間にバイパスコンデンサを挿入し、PDNインピーダンスの低減を図ります。この措置により基板に寄生成分が導入され、共振周波数がシフトします。コンデンサを挿入した結果を図6(赤色)に示します。ベアボードでは683MHzにあった共振が、低い周波数にシフトしているのが分かります。
高周波領域ではコンデンサは寄生成分のために短絡回路のような特性を示します。このためPDNインピーダンスは変化せず、コンデンサの値を大きくしてもそれほど改善しません。高周波領域でPDNインピーダンスを改善するには、寄生容量の小さいコンデンサを選び、インダクタンスを低減するように配置を修正し、その都度インピーダンスを計算する必要があります。必然的にシミュレーションの回数が増え、手間のかかる仕事になります。
図6:PDNインピーダンス: ベアボード(緑)と実装基板(赤)
U8-A1ピンから見た空間インピーダンスプロットを図7に示します。ベアボード(a)では主にプレーンの共振による非常に高い値が観測されます。共振領域にバイパスコンデンサを挿入した実装基板(b)では、期待通り低減されたインピーダンスを確認できます。
図7:PDNインピーダンスの空間プロット: ベアボード(a)と実装基板(b) 683MHz
図8:スイッチング過渡電流(上)と電圧プローブ結果(下)
図8上は過渡電流、下は電圧プローブの結果プロットです。赤はU7部品、緑はU8部品の電流と電圧を示します。電流の駆動によりドライバ給電の電圧ノイズが生じています。スイッチング電流が大きいほど、またスイッチングドライバが速いほど、電圧ノイズも大きくなり、PDNインピーダンスの低減が必要であることが確認できます。
高速基板におけるパワーインテグリティの解析フローをご紹介しました。DCとACそれぞれについてパワーインテグリティ解析を行いました。PDNインピーダンスを周波数領域で最適化して給電電圧ノイズを最小化する方法はよく用いられます。過渡解析では、スイッチングにより生じる電圧ノイズの低減に向けて、PDNインピーダンスの最小化がいかに重要かをより明確に示しました。
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