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原创 第十期概念组

PI和SI设计助力产品顺利通过EMC

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a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-5 22:55:49
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这段时间一直在做SI/PI方面的东西,硬是
被九天妹子忽悠来参加最新一期的活动,SI/PI勉强与EMI沾点关系。毕竟论坛里面做电源的占多数,信号完整性方面的朋友应该不多。这次就为大家带来一些不一样的东西,因为分享的内容并非论坛主基调,所以该贴并不是为得奖来的,主要是为感谢平台长久来对我的帮助!


为了让各位迅速明白SI/PI在产品设计中的应用,这里用几个产品做说明。首先是特斯拉汽车的电机控制器,分为控制板和驱动板,控制板上包含电机控制逻辑,电流电压采样,温度转速采样,CAN通讯,crash,充电等信号;驱动板上涵盖隔离DCDC,IGBT驱动电路等。电机控制器中包含高低压电路,控制和采样电路,即便是特斯拉等大厂,其产品的EMC测试结果也并不好,所以来讲电机控制器在EMC设计中有很高的难度。
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然后是我们常用到的消费类电子,比如手机和电脑,下面为电脑主板图示,可以看到主板上涵盖了CPU,DDR,GPU和众多的电源芯片,包含大量的高速电路,如USB,PCIE,HDMI,LVDS,DDR等常见的高速信号集中出现在一个产品中,这对设计者的要求是很高的。
timg.jpg
SI(信号完整性)和PI(电源完整性)性能,便是为了满足复杂产品的设计要求,帮助设计者顺利实现产品功能的两个重要指标。同时也很大程度上决定EMI的结果。
nc965
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版主
  • 2018-12-6 09:49:56
 
同意这个说法
靖哥哥
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副总工程师
  • 2018-12-6 11:13:39
 
看你们公司这产品真牛....佩服佩服..
wangdongchun
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总工程师
  • 2018-12-6 12:40:52
 
好高级的样子,了解一下
qlsxkql
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-6 13:33:30
 
设计的不错。
a422877308
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副总工程师
  • 2018-12-6 22:09:01
 
为了让读者理解,所以由浅及深来,首先需要介绍的是电源完整性power integrity,后面简称PI。
百度中对PI的介绍如下,与诸多书籍中描述的意思基本一致,这里照搬过来。
电源完整性(Power integrity)简称PI,是确认电源来源及目的端的电压电流是否符合需求。电源完整性在现今的电子产品中相当重要。有几个有关电源完整性的层面:芯片层面、芯片封装层面、电路板层面及系统层面。在电路板层面的电源完整性要达到以下三个需求:
  • 1、使芯片引脚的电压涟波比规格要小一些(例如电压和1V之间的误差小于+/-50 mV)
  • 2、控制接地反弹(也称为同步切换噪声SSN、同步切换输出SSO)
  • 3、降低电磁干扰(EMI)并且维持电磁兼容性(EMC):电源分布网络(PDN)是电路板上最大型的导体,因此也是最容易发射及接收噪声的天线。

实际上我们通过IR-drop直流压降,电源/地平面谐振,PDN阻抗,SSN同步开关噪声几个参数去设计一个产品的PI性能。当一个产品的PI参数设计的足够好,它的初始EMI特性以及负载IC的工作状态必然更优。

a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-6 22:10:44
 
PI参数1——IR-drop直流压降设计示例

直流压降的概念很好理解,这里不再赘述,有经验的工程师在设计时也会留有足够多的设计余量,所以这个参数一般来讲我们并不需要特意去关注。这里就用个小例子介绍一下设计思路。当硬件工程师给出设计原理图时,都会在首页中给出power tree图示,如下图。原理图中详细描述了板上PDN网络的VRM信息和各路IC负载信息。
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    根据原理图的信息,我们可以去分析一块PCB的PDN网络是否符合设计的功耗要求,比如我们对某产品中的二级电源网络单独分析,其电压为5V,含多个负载电源芯片和IC。下面为分析报告中的部分截图,我们可以从结果中看到每一个负载上的电压,VRM的电流和电源网络中串接到GND的众多上拉电阻上的电流以及功耗情况。重要的是结果中包含PCB各层的电流密度分布情况,并且以2维图像的形式呈现出来,对于那些对电源质量要求高的,如DDR,MCU,CPU等低电压大电流负载来讲,我们可以直观的看到负载所在位置的电源/地网络电流密度情况,提升电源质量。   

   整个分析过程从设置到获得结果需要1~2个小时。对于严格要求功耗的产品设计,压降和直流损耗分析是必不可少的。当我们获得这些信息,可以和PCB以及芯片散热片一同进行产品的热设计,对于功耗较高,发热较大的产品,热设计是必不可少的。
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a422877308
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LV8
副总工程师
  • 2018-12-6 22:11:32
 
PI参数2——电源/地平面谐振设计示例
这个概念相比多数人处于似懂非懂的状态,需要介绍一下,电源/地平面在PCB中是两个面积最大且相互绝缘的导体。当它们之间有高频信号流过时,由于所处腔体的固有特性,会引发一系列高次模谐振(不了解的可以去看电磁场与电磁波-波导与谐振腔部分)。谐振位置的电源网络阻抗会因此被抬高。解决的方法便是在谐振的位置上放置合适的电容。
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resonant_mode.gif

加电容后(该位置本身有一颗220nf电容,调整到22nf),谐振消失

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a422877308
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副总工程师
  • 2018-12-6 22:12:25
 
PI参数3——PDN阻抗控制设计示例
PDN电源网络是板上面积最大的能量传输网络,PDN网络与VRM电源和IC负载连接,单一电源网络包含多个开关频率和不同功率负载。同时,电源平面与地平面构成了谐振腔体,不同大小和形状的电源平面,都有它固定的谐振模态。当PDN网络由于电源/地谐振,会增加电源网络高频阻抗,我们知道,电源网络的分布电容和分布电感形成了许多局部和整体的谐振频率,当电源网络的阻抗被抬高,整体的谐振能量将被抬高。由LCR谐振电路便可以知道。


a422877308
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副总工程师
  • 2018-12-6 22:13:15
  • 倒数10
 
PI参数4——SSN同步开关噪声设计示例
同步开关噪声,是指当器件处于开关状态,产生瞬间变化的电流,在经过回流途径上存在的分布电感时,形成交流压降,从而引起噪声。同步开关噪声,一般出现在PCB的二级电源网络,多发生在MCU,CPU,FPGA,图像seneor,视频解码芯片,DDR等低压大电流,多路时钟/高速数据线的位置。比如生活中常见的的DDR内存条
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DDR内存颗粒中的数据/地址/时钟线在工作中,会在电源中抽取电流,由于DDR的高速特性,信号开关边沿速度目前已经可以达到ps级,线路中细微的分布电感都会引起较大的压降。我们从PCIE接口电源位置中测试VRM网络的电压噪声,可以看到下图中存在的电压波动。这些宽频的噪声路径中一旦出现防护不当,便会被EMC检测设备拾取。
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而解决的思路,在于控制芯片的电源网络阻抗,避免电源网络被VIA等分割的的过于破碎。常见的措施便是在芯片电源管脚中加入旁路电容,来满足芯片瞬时开通时的用电需求。比如多数工程师会在IC电源管脚上放置一颗0.1uF电容。该电容的容值其实是需要计算得到。具体的方法可以参阅下面文章https://mbd.baidu.com/newspage/d ... A%22bjhauthor%22%7D
DDR由于其特殊性,厂家会将该电容集成在IC中,以节省布线空间。下图中,当开启芯片中的on-die de-capacitor时,电压波动幅值得以降低。
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nc965
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版主
  • 2018-12-7 08:13:11
  • 倒数9
 
你这样盖楼100层就啥也看不见了,版面完整性。
a422877308
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副总工程师
  • 2018-12-7 10:10:36
  • 倒数8
 
李版主不要着急,有些文档不在个人电脑上,先占个楼层保证逻辑完整。
qlsxkql
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副总工程师
  • 2018-12-9 13:05:24
  • 倒数7
 
嗯嗯,东西多,慢慢更新。
qlsxkql
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副总工程师
  • 2019-1-5 15:42:58
  • 倒数6
 
过来看看,支持下。
清风慕竹
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高级工程师
  • 2019-1-16 09:10:56
  • 倒数5
 
能不能分析一下特斯拉的电驱,比较感兴趣
a422877308
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副总工程师
  • 2019-1-19 16:59:24
  • 倒数4
 
特斯拉电驱方案网上很多资料的。国内厂家也都模仿的特斯拉方案,区别估计也就是选不同厂家的IC 还有原理图上细微的差别了吧,无非就是TI,NXP,ST和英飞凌那几家,主控方案选择TI或者NXP,隔离驱动芯片选择ST或者英飞凌,双隔离推挽输出。比较常见的方案MCU用NXP的SPC系列,或者TI的TMS系列,  隔离驱动芯片用英飞凌的1ED系列
a422877308
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副总工程师
  • 2019-3-24 09:44:45
  • 倒数3
 
SI信号完整性
相较于电源,信号的完整性往往在整个产品开发中占据较为重要的位置,它直接决定了产品的性能,比如个人PC市场中,好的主板可以让内存、CPU处于更高的工作频率,兼容多路内存,有更好的客户体验等等。同时SI与EMI的关系更为紧密。
1、时钟的影响
时钟的影响很高频率会出现在产品EMC测试中的辐射项目,比如下面产品中的时钟信号,我们利用示波器的FFT功能可以看到其丰富的谐波
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a422877308
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副总工程师
  • 2019-3-24 10:17:02
  • 倒数2
 
目前产品中多见的封装为BGA和SOP,SOP多见于电源和低速信号处理芯片,BGA多见于高速信号处理芯片,BGA典型特征为多路IO和电源,因此需要多层板才可以放得下。比如下图
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BGA中的多路数据/时钟均需要进行阻抗匹配,所以在扇出时常常遇到空间不够的情况。我们知道信号线匹配电阻常见的阻值有22R和33R的,这个匹配电阻是为了匹配输出管脚的阻抗(通常为十几到二十几欧),目的是为将信号输出阻抗匹配到50R,以避免反射。


a422877308
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副总工程师
最新回复
  • 2019-3-24 10:26:06
  • 倒数1
 
实际情况是,匹配电阻无法与芯片零距离匹配,在不改变其它条件下,扇出距离的长短直接决定了信号的质量。受客观条件影响,PCB工程师能做的工作有限。所以我们需要分析信号走线的实际阻抗,所以不能单纯的使用22R和33R。比如我们分析上图中的匹配电阻,假设信号频率为100MHz,上升沿1ns。调整阻值,可以看到,当阻值增加到68R时,信号过冲最小。实际中为了避免信号负载加重,需要同时考虑信号电流大小。
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