【導(dǎo)讀】作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高端PCIe SSD主控芯片和方案提供商，憶芯科技一直走在技術(shù)創(chuàng)新的前沿，為了滿(mǎn)足各行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求，其推出多款極具出色性能和穩(wěn)定性的產(chǎn)品，包括支持PCIe 3.0的STAR1000P、PCIe 4.0的STAR2000、以及最新的PCIe 5.0高性能芯片STAR1500。未來(lái)隨著數(shù)據(jù)傳輸速率和接口帶寬的迅猛提升，電源完整性（Power Integrity）成為了保障產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重。
作為國(guó)內(nèi)領(lǐng)先的高端PCIe SSD主控芯片和方案提供商，憶芯科技一直走在技術(shù)創(chuàng)新的前沿，為了滿(mǎn)足各行業(yè)對(duì)于數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)的需求，其推出多款極具出色性能和穩(wěn)定性的產(chǎn)品，包括支持PCIe 3.0的STAR1000P、PCIe 4.0的STAR2000、以及最新的PCIe 5.0高性能芯片STAR1500。未來(lái)隨著數(shù)據(jù)傳輸速率和接口帶寬的迅猛提升，電源完整性（Power Integrity）成為了保障產(chǎn)品穩(wěn)定運(yùn)行的重中之重。
電源完整性的挑戰(zhàn) 從低頻到高頻
在現(xiàn)代高速數(shù)字系統(tǒng)中，電源完整性指的是電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network, PDN）為負(fù)載（如CPU、FPGA或SSD主控芯片）提供干凈、穩(wěn)定電源的能力。隨著芯片頻率的提升，電源噪聲、瞬態(tài)電流需求和信號(hào)完整性之間的相互影響愈發(fā)復(fù)雜，例如憶芯科技最新主控芯片STAR1500集成了高密度的晶體管和復(fù)雜的信號(hào)處理模塊，這使得電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的設(shè)計(jì)非常復(fù)雜，不僅需要在低頻段穩(wěn)定提供直流電壓，還需要在中高頻段有效抑制噪聲，最終保證在die側(cè)電壓的波動(dòng)滿(mǎn)足power domain的SPEC要求，如圖1。
圖1 die側(cè)電壓波動(dòng)
電源分配網(wǎng)絡(luò)（Power Distribution Network）
如圖2所示，典型的PDN系統(tǒng)由VRM、解耦電容器、平面和集成電路組成。從圖中可以看出各個(gè)部件與die的臨近程度，VRM和Bulk電容離die最遠(yuǎn),封裝平面和封裝電容器離die則較近。各個(gè)部件自身的頻率響應(yīng)、它們與die的距離以及各部件和die之間寄生效應(yīng)決定了各部件對(duì)來(lái)自die側(cè)電流需求的反應(yīng)能力。
圖2 電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）模型
圖3是全通路PDN的電路示意圖，由電壓調(diào)節(jié)模塊（VRM）、電源/地平面對(duì)、各種電容組成，這些組件在控制電源分配系統(tǒng)阻抗時(shí)，分別作用在不同的頻段。VRM響應(yīng)的頻率范圍為DC~1KHz；電解電容在1kHz~1MHz內(nèi)保持較低阻抗；高頻陶瓷電容在1MHz~百M(fèi)Hz內(nèi)保持較低阻抗；電源/地平面對(duì)則可以在100MHz以上發(fā)揮作用；片上電容則可以在GHz都提供較低的阻抗特性。
圖3 全通路PDN電路示意圖
造成PDN中電源不穩(wěn)定的原因
PCIe 5.0高帶寬帶來(lái)的一個(gè)顯著挑戰(zhàn)是瞬態(tài)電流的快速變化。當(dāng)芯片從空閑狀態(tài)切換到滿(mǎn)負(fù)載時(shí)，內(nèi)部邏輯電路在高速開(kāi)關(guān)狀態(tài)下產(chǎn)生的瞬態(tài)交變電流過(guò)大，使得電源無(wú)法實(shí)時(shí)響應(yīng)負(fù)載對(duì)電源需求的快速變化，導(dǎo)致電源電壓出現(xiàn)快速壓降。即
，電源響應(yīng)速度慢、瞬態(tài)電流大、或者電容儲(chǔ)能不夠，造成了為提供電荷而引起的電壓波動(dòng)。
圖4 瞬態(tài)電流突變導(dǎo)致電壓跌落（黃色：電壓，綠色：電流）
由于整個(gè)PDN通路上存在各種寄生電感，無(wú)論鍵合線、PTH、管腳、走線的寄生電感還是去耦電容的寄生電感（自感和安裝電感），甚至包括縫隙電感和過(guò)孔電感，使得高頻處的阻抗增加進(jìn)而導(dǎo)致電壓出現(xiàn)大的波動(dòng)，即
。
圖5 Flip Chip Package圖示及電感
噪聲電流或返回電流路徑突變均會(huì)導(dǎo)致共振現(xiàn)象。如下圖信號(hào)穿過(guò)電源平面和地平面時(shí)返回路徑在平面間轉(zhuǎn)換,雖然電源、地平面之間存在去耦電容,但是電容只能讓返回電流的低頻部分通過(guò),而高頻部分需由平面間的耦合(即通過(guò)換層所在區(qū)域)提供回流路徑,這個(gè)區(qū)域會(huì)引起局部電源噪聲,該噪聲會(huì)在電源和地平面之間構(gòu)成的腔體中傳播進(jìn)而影響系統(tǒng)穩(wěn)定性。
圖6 信號(hào)換層引起的噪聲
電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）的優(yōu)化策略
為了應(yīng)對(duì)PCIe 5.0高性能芯片中的電源完整性挑戰(zhàn)，憶芯科技采用了多層次的電源設(shè)計(jì)優(yōu)化策略，最終使整個(gè)系統(tǒng)的信號(hào)完整性和穩(wěn)定性達(dá)到最佳狀態(tài)。
中頻電容諧振峰的優(yōu)化
中頻陶瓷電容在板級(jí)去耦中起到非常大的作用。在系統(tǒng)中一般采用并聯(lián)多種不同容值電容的方式，在這種情況下必須注意不同容值電容器中的并聯(lián)諧振（稱(chēng)為反諧振），為了使整個(gè)PDN系統(tǒng)的阻抗小于目標(biāo)阻抗,在設(shè)計(jì)時(shí)需要根據(jù)電容阻抗特性選擇合適的電容組合、擺放位置，并且最小化電容的安裝電感來(lái)盡量控制諧振峰的大小。
如果去耦網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)不理想，并聯(lián)諧振峰使PDN系統(tǒng)阻抗在諧振點(diǎn)附近的一段頻率范圍內(nèi)超過(guò)目標(biāo)阻抗，最終會(huì)產(chǎn)生潛在的設(shè)計(jì)風(fēng)險(xiǎn)。如果負(fù)載芯片的電流需求又剛好集中在這個(gè)頻段內(nèi)，則電壓波動(dòng)就可能超標(biāo)。
圖7 電容器并聯(lián)諧振峰
平面電容與層疊設(shè)計(jì)的優(yōu)化
電源平面和地平面能形成一個(gè)平板電容（假設(shè)電源平面和接地平面相鄰），當(dāng)頻率遠(yuǎn)超過(guò)PCB去耦電容作用頻段的情況下，平板電容能發(fā)揮積極的作用，但唯一的缺點(diǎn)是平板電容很小，因?yàn)槠矫婷娣e很小（典型電路板的典型平面電容 = 322pf/每平方英寸電源平面電容面積），而且連接平面和封裝球的電源和接地通孔的環(huán)路電感會(huì)限制其高頻去耦效果，設(shè)計(jì)時(shí)需要注意采用多過(guò)孔并聯(lián)結(jié)構(gòu)以及盡量縮短電源回路。PCB 電源平面電容的計(jì)算公式如下：
其中
是平面之間介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)，A是平面的面積（平方米），d是平面之間的距離（米）。使電容最大化的幾種方法：保持較小的電源平面和接地平面之間的距離d（使用較薄的電介質(zhì)），在電源平面和接地平面之間使用較高的
電介質(zhì)材料，以及增大平面面積。其中最大化平面面積的方法之一是在相鄰布線層上的未使用平面區(qū)域填充電源和地平面，并用縫合通孔連接起來(lái)。
圖8 電源、地平面電容示意圖
芯片封裝諧振點(diǎn)
芯片封裝電感將產(chǎn)生一個(gè)截止頻率，超過(guò)這個(gè)頻率PCB安裝的電容器的影響可以忽略不計(jì)。可以根據(jù)電源的目標(biāo)阻抗來(lái)確定截止頻率（Fco）：
除此之外，還需要考慮封裝電感和片上去耦電容的并聯(lián)諧振，這個(gè)諧振尖峰會(huì)有比較高的阻抗，在很多情況下，需要通過(guò)封裝中的去耦電容盡量去抑制這個(gè)諧振峰。
圖9 芯片封裝上去耦電容對(duì)諧振峰的改善
高頻片上電容優(yōu)化
隨著集成電路工藝的進(jìn)步，高頻片上去耦電容（On-Chip Decoupling Capacitors）成為了電源完整性設(shè)計(jì)的關(guān)鍵，片上去耦電容決定了最高頻率時(shí)的PDN的阻抗。片上電容的成因有：（1）電源和地軌道金屬層之間的電容；（2）所有的P管和N管的柵極電容；（3）各種寄生電容。片上去耦電容直接集成在芯片內(nèi)部，離負(fù)載非常近且寄生電感和電阻極小，因此它可以在極短的時(shí)間內(nèi)為負(fù)載提供充足的電流，快速響應(yīng)瞬態(tài)電流需求，降低電源電壓的波動(dòng)，極大地提高電源系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)能力。
雖然片上去耦電容在高頻下效果顯著，但其容量通常較小，難以應(yīng)對(duì)中低頻段的大容量需求，且片上去耦電容是以犧牲芯片面積為代價(jià)的。因此在整個(gè)PDN設(shè)計(jì)中，片上去耦電容的設(shè)計(jì)要進(jìn)行全方位的評(píng)估，確保die上可以提供的最小電容，并且仍然能夠滿(mǎn)足系統(tǒng)的目標(biāo)阻抗。
全通路PDN的頻域分析優(yōu)化
除了上述各點(diǎn)細(xì)節(jié)的優(yōu)化，最終需要對(duì)全通路PDN進(jìn)行頻域分析，評(píng)估不同頻率下的電源阻抗特性，提前識(shí)別出電源系統(tǒng)中可能出現(xiàn)的共振點(diǎn)和高阻抗點(diǎn)來(lái)進(jìn)行優(yōu)化。
圖10 PDN的阻抗特性曲線
Coner case的CPM時(shí)域分析優(yōu)化
芯片在實(shí)際工作中會(huì)有很多種場(chǎng)景，在不同場(chǎng)景切換過(guò)程中，可能會(huì)激發(fā)各種抽電狀態(tài)，包括激活階段、上升階段和負(fù)載釋放階段。其中重載到ideal或ideal到重載狀態(tài)的快速切換中，會(huì)激發(fā)陡峭的上升沿或者下降沿，對(duì)PDN造成極大的沖擊。這種coner case可以從芯片后仿VCD波形中獲取，再進(jìn)行CPM(chip power model)的提取，以進(jìn)行全通路的時(shí)域分析，聯(lián)合驗(yàn)證優(yōu)化全通路PDN的設(shè)計(jì)。
圖11 Coner case的電源變化圖示
多通道噪聲電流的共振分析
SSD的主控芯片會(huì)有較多的ONFI通道，常見(jiàn)的為8CH/16CH，不同的容量會(huì)涉及到掛載的NAND顆粒數(shù)量不同。在產(chǎn)品設(shè)計(jì)過(guò)程中，會(huì)將SSD主控的IO 電源和NAND顆粒的IO電源合并設(shè)計(jì)，這樣可以節(jié)省器件成本，且整個(gè)電源的平面也會(huì)更加完整，但是各個(gè)CH間的噪聲電流會(huì)在整個(gè)腔體中形成共振，需要在設(shè)計(jì)的時(shí)候考慮這種共振情況。
共振情況的分析需要考慮整個(gè)PDN的頻域特性，如前文提到的一些比較高的諧振峰，對(duì)于ONFI多CH的接口設(shè)計(jì)中，如果系統(tǒng)在工作中正好激發(fā)前文所提到的諧振峰相應(yīng)頻點(diǎn)的噪聲電流，多通道的噪聲電流共振會(huì)對(duì)整個(gè)PDN帶來(lái)嚴(yán)重的沖擊。在分析過(guò)程中需要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)盡可能接近該阻抗諧振峰的激勵(lì)造成worst case以測(cè)試PDN的魯棒性。
電源完整性對(duì)系統(tǒng)性能的影響
對(duì)于憶芯科技PCIe 5.0 SSD主控芯片STAR1500來(lái)說(shuō)，傳輸速率相比PCIe 4.0翻倍達(dá)到32GT/s，數(shù)據(jù)的吞吐量更大，面臨的場(chǎng)景也更復(fù)雜，內(nèi)核電源、IO電源對(duì)其PDN性能的要求也更高，保證電源完整性對(duì)系統(tǒng)整體性能和穩(wěn)定性起到至關(guān)重要的作用：
更低的誤碼率
由于噪聲和電壓波動(dòng)的抑制，芯片能夠以更低的誤碼率傳輸數(shù)據(jù)，確保了數(shù)據(jù)傳輸?shù)耐暾浴?/p>
更高的能效比
優(yōu)化后的低阻抗電源分配網(wǎng)絡(luò)減少了不必要的電能損耗，提升了系統(tǒng)的整體能效，降低了功耗。
更高的穩(wěn)定性
在極端工作條件下，優(yōu)化電源完整性的設(shè)計(jì)保障了系統(tǒng)的穩(wěn)定性，避免因電源不穩(wěn)定導(dǎo)致的系統(tǒng)崩潰和性能下降。
參考文檔：
【1】 A Novel System-Level Power Integrity Transient Analysis Methodology using Simplified CPM Model, Physics-based Equivalent Circuit PDN Model and Small Signal VRM Model
【2】Power Integrity Modeling and Design for Semiconductors and Systems
【3】信號(hào)完整性與電源完整性分析
本文轉(zhuǎn)載自：憶芯科技
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