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作者 | 姜杰 (一博科技高速先生团队队员)
世界杯激战正酣,夺冠热门巴、阿、德、西、法却冷门不断。其中,让小编印象最深刻的当属小组赛中冰岛逼平阿根廷的比赛,纵观冰阿大战,让人不由得怀疑强悍的维京汉子似乎赛前集体培训过《九阳真经》:“他强由他强,劳资就靠防”。
冰岛队密不透风的贴身防守如影随形,逼得上届亚军徒负一身绝学,无法施展,最终随着职业导演的十指封*,梅天王掩面神伤,功败垂成。从直流压降仿真的角度分析:这是典型的直流电阻(防守压力大)过大导致压降不达标(体能下降快),最终重载测试失败(心理崩溃),不禁令我想起了之前所做的一个案例。
痛苦的思绪回到一年前,某块在我司加急完成的改板(注意,是改板,处理得当,皆大欢喜,稍不留神,“前人挖坑,后人躺枪”,不是亲生的改板一定要谨慎谨慎再谨慎!)有一路最大电流5A的0.85V电源(各位没有看错,这个电源并非大家想象中电流动辄几十上百安培的CORE电源,最大电流只有5A,难怪客户要急眼)重载情况下直流压降接近60mV,导致测试失败,需要进行问题定位并再次改版。
客户临门,急如星火。扛着山大的压力,我们一边安慰客户“冷静,深呼吸,这个板子还可以再抢救一下的”,一边给自己打气“失败是成功他妈,稳住,要淡定”。*曾教导我们“在战略上要藐视敌人,在战术上要重视敌人”。与相对难以捉摸的PDN阻抗曲线相比,直流压降仿真(DC仿真)的主要矛盾清晰明了——减小直流电阻!具体方法有增加铜厚、加宽铜皮、增加过孔数量…… 一般来说,围绕这个点制定战术基本都能解决问题。
理清了思路,再来审视出问题的这路电源。单板的原设计如下图示,供电芯片(VRM)位于图中右下角,电源输出过孔采用14个10mil孔径的通孔,对于最大5A的通流是足够的,电流通过TOP→L07层→L10层→L03层三次换层,历经艰难坎坷,最终到达用电芯片(SINK),对应的电源管脚如图中黑色方框所示:
初步判断的结果是,电源平面换层次数较多而且路径太过曲折。仿真结果显示原设计的电源通道直流压降57mV,具体如下:
VRM输出端电压:890mV
用电端电压:833mV
回路直流电阻:11.1mΩ
道路是曲折的,前途似乎也并不光明,如果说改板是件痛苦的事,那么加急改板简直要命,明明知道电源平面不够,无奈其它平面和走线的掣肘,修改起来举步维艰。经历了“查半天,仿半天,修修补补三更天”的煎熬之后,Layout工程师还是在众人期待的眼神中改出了一个版本,方案说起来很简单,增加铜厚(单板为16层设计,将对称的07、10层铜厚由0.5oz增加至1oz,当然,成本增加、相应的走线调整……一堆的麻烦事,说多了都是泪)、加大铜皮(对现有铜皮修补加宽)。修改后的直流电阻减小了3.44mΩ,通道压降减小了18mV,仿真结果如下:
VRM输出端电压:879mV
用电端电压:840mV
回路直流电阻:7.66mΩ
经历了一波三折,与客户确认后,板子再次投了板,后续的压力测试也终于通过。
故事讲完了,下面归纳一下本文的中心思想:曾经有一个电源规划的机会摆在你的面前,你一定要珍惜,在设计之初,对电源平面做好规划,事半功倍,后期补救,事倍功半。对于低电压大电流的CORE电源当然需要给予足够的重视,电流相对较小的电源也不容忽视,不要等到板子FAIL了,空悲切,熬夜改板到白头。
提问:如何打通电源直流路径的“任督”二脉?各位大侠出招吧!
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