一种抑制集成电路供电电源纹波的系统、方法、介质、设备及终端

技术领域

本发明属于电源完整性领域，尤其涉及一种抑制集成电路供电电源纹波的系统、方法、介质、设备及终端。

背景技术

随着集成电路(Integrated circuit，IC)朝着高速度、高密度、低功耗的方向发展，一个IC集成数字、模拟和射频等电路模块的现象已经变得十分普遍。随着电子产品开发的周期变短，功率传输的问题也变得越来越复杂。电源完整性(Power Integrity，PI)和电磁辐射(Electromagnetic，EMI)分析设计成为了高速电路设计面临的最主要的问题之一。

当工作频率较高时，由于分布电感的影响，电源与地平面相当于一个谐振腔，具有谐振特性。电源平面可以看成由众多电感和电容构成的网络，可以看成一个共振腔，在一定的频率下，电感和电容会发生谐振，进而影响到电源阻抗。电源阻抗随着频率的变化而不断变化，尤其在并联谐振效应显著时，电源阻抗的变化也变得显著，从而在瞬间电流流过时，电压也随之发生降低和摆动。而在保证器件正常工作的情况下，大部分数字电路器件能够接受的电压波动是正常电压的±5％。

在高速PCB设计中，常用添加去耦电容、电源平面分割技术和过孔结构优化的方法来保证电路工作时电源的平稳度和洁净度。一是采用添加去耦电容的方法。在电源/地平面之间添加分立式电容或者嵌入式电容为高频噪声电流提供低阻抗电流返回路径，可以减少PDN中参考地的电压波动进而达到减少开关噪声的目的。但是当电路的工作频率很高的时候，在电源/地平面中使用去耦电容等传统方法已经不能对同步开关噪声进行有效的抑制。而且去耦电容不仅受限于其频率，也受限于其数目。对应一个电源引脚可以添加一个去耦电容，即去耦电容可以添加的最大数量是一定的。此外，添加去耦电容也意味着更多的接地孔数量，这使得PCB的布线更加困难。二是采用电源平面分割技术。其主要思想是将噪声源向噪声敏感电路的传播路径切断，从而阻止噪声在PDN中的进一步扩散。该方法在低频段对噪声的隔离效果比较明显，但当其处于较高频段时，由于电源/地平面产生的谐振效应使其在电源岛分割的间隙处会发生严重的噪声耦合现象。三是对过孔结构进行优化。电源纹波的大小受层叠结构和参考平面的完整性影响，过孔数目的增加与过孔结构的变化将影响参考平面完整性的变化，从而影响PDN的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种抑制集成电路供电电源纹波的系统、方法、介质、设备及终端，以解决现有采用添加去耦电容但受到频率与数量的限制，采用电源平面分割技术但不适用于较高频段的问题，提出一种通过对过孔电容优化抑制电源纹波的方法，并且进行了理论分析，对工程与电源完整性的研究有较大的贡献。

本发明的技术方案为：

一种抑制集成电路供电电源纹波的方法，利用谐振腔模型对PCB平行平板结构进行建模；利用麦克斯韦方程组、二维波动方程以及格林函数得到过孔等效电感表达式；理论分析与仿真分析相结合得到过孔等效电感与过孔直径之间的关系；以过孔的等效电感表达式为理论依据，通过调整过孔直径，实现电源纹波最小化设计。

进一步地，所述电源纹波最小化设计的方法，包括以下步骤：

步骤一，对于只含单个激励源的情况，采用谐振腔模型对平行平板结构进行建模，得到平行平板上任意一点的阻抗表达式；

步骤二，得到含两个过孔的平行平板PDN结构的阻抗与电感及电容的关系；

步骤三，联立得到的两个阻抗表达式，得到所有模式叠加的电感表达式；

步骤四，通过含两个过孔平行平板PDN的等效电路模型，得到低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式；

步骤五，联立两个电感表达式，得到低频情况下过孔的等效电感，理论分析过孔内径与不同过孔间距对过孔的影响，进而分析对PCB电源完整性的影响；

步骤六，改变过孔直径进行仿真，选择最优过孔直径，得到最优过孔结构，实现电源纹波最小化设计。

进一步地，步骤一中的阻抗的含义以及计算方式：

在平行平板的长宽分别为t

其中，V

步骤一中的电流和电压的含义与计算方式：

对于平行平板间的过孔，可以用两板间馈入的电流源对其进行等效建模，实际的过孔结构是圆柱体，为简单起见，在这里假设过孔为矩形，馈入矩形区域电流源的密度为J

该区域的电压大小为：

所述E

将激励源加入二维波动方程，建立完整的波动方程，该方程为：

对于理想磁壁条件(PMC)，有：

对于二维波动方程，借助格林函数求解该方程，对于平板长和宽分别为a、b，板间厚度为d的矩形平板结构，格林函数为：

由PEV边界条件，可以得到格林函数的边界条件为：

格林函数是一系列本征函数的叠加，首先求解满足上述微分方程的本征解，设本证函数为φ

令：

φ

可得：

令：

k

X(x)＝Asin(k

Y(y)＝Csin(k

由理想磁边界条件可知：

即对于y而言有

以及：

为了得到Y(y)的非零解，D不能为0，因此有：

同样的，对于x也有相似的边界条件，可以得到：

A＝0

因此本征函数的解为：

本征函数具有正交归一性，利用该性质，写出如下的表达式：

可得：

可得：

联立上式可以求解出BD的值：

其中：

最终得到本征函数的解为：

通过本征函数的叠加，可以得到格林函数的表达式为：

通过对格林函数的几份求得平行平板之间的电场，电场的表达式为：

进一步地，步骤二中的含两个过孔的平行平板PDN结构的阻抗与电感及电容的关系：

其中，C

平行平板的电容计算方式：

其中，a为PCB平行平板的长度，b为PCB平行平板的宽度，d为PCB平行平板的厚度，ε为相对介电常数。

进一步地，步骤三中的所有模式叠加的电感表达式：

所述的电感计算方式：

其中，

a和b分别为平行平板的长和宽，d为板间距离，(x

进一步地，步骤四中低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式：

求解矩阵可得：

其中，V

为低频情况下IC端口处感受到的回路电感L

L

本发明还提供一种应用所述方法设计的抑制集成电路供电电源纹波系统，包括：

阻抗计算模块，用于得到平行平板上任意一点的阻抗表达式以及阻抗与电感及电容的关系；

电感计算模块，用于得到所有模式叠加的电感表达式以及低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式；

过孔等效电感计算模块，用于得到低频情况下过孔的等效电感；

理论分析与仿真分析模块，用于对不同过孔直径进行分析，得到最优过孔结构，实现电源纹波最小化设计。

本发明还提供一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如所述电源纹波最小化设计方法的步骤。

本发明还提供一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如所述电源纹波最小化设计方法的步骤。

本发明还提供一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现如所述的抑制集成电路供电电源纹波系统。

结合上述的技术方案和解决的技术问题，本发明所要保护的技术方案所具备的优点及积极效果为：

第一，针对上述现有技术存在的技术问题以及解决该问题的难度，紧密结合本发明的所要保护的技术方案以及研发过程中结果和数据等，详细、深刻地分析本发明技术方案如何解决的技术问题，解决问题之后带来的一些具备创造性的技术效果。具体描述如下：

本发明提供了一种更加有效的通过优化过孔结构解决电源完整性问题的方法，联立得到的两个阻抗表达式，得到所有模式叠加的电感表达式，联立所有模式叠加的电感表达式与低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式，得到过孔等效电感表达式，改变过孔直径进行仿真，选择最优过孔直径，得到最优过孔结构，提高了通过优化过孔结构解决电源完整性问题的有效性与合理性。

第二，把技术方案看做一个整体或者从产品的角度，本发明所要保护的技术方案具备的技术效果和优点，具体描述如下：

本发明提供了一种通过优化过孔结构解决电源完整性问题的系统，通过推导计算得到过孔等效电感表达式，以过孔等效电感表达式为依据，改变过孔直径行仿真，选择最优过孔直径，得到最优过孔结构，提高了解决电源完整性问题的有效性与合理性。

第三，作为本发明的权利要求的创造性辅助证据，还体现在以下几个重要方面：

(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

本发明的技术方案转化后，可应用于电机驱动系统中的电源阻抗优化问题，一定程度上解决由碳化硅MOSFET等功率器件造成的电压纹波问题，保障电机驱动系统的正常运行。本发明的技术方案转化后，可应用于空空导弹高速图像信息处理板的电源阻抗优化，使图像信息处理板的电源压降在正常范围内，保障图像信息处理板中的DSP、FPGA等数字集成电路的正常工作。本发明的技术方案转化后，可应用于气体绝缘变电站中电子互感器的电源完整性问题的解决，通过减少气体绝缘变电站中电子互感器的电源完整性问题，以保证电子互感器的正常运行，推动电力系统智能化建设。

(2)本发明的技术方案是否解决了人们一直渴望解决、但始终未能获得成功的技术难题：

本发明的技术方案对提高信号系统电子设备的电源完整性具有一定的理论意义和工程应用价值，可以为电气电子产品的电源完整性研究、芯片与电路板设计、系统电源完整性管理提供一定的帮助。本发明的技术方案以电源完整性理论为基础，解决传统的电源完整性研究中对过孔结构设计缺乏考虑的弊端。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的优化电源纹波流程图；

图2是本发明实施例提供的电源完整性问题解决方法中在只含单个激励源的情况下得到平行平板上任意一点的阻抗表达式的流程图；

图3是平行平板结构中的电场和磁场图；

图4是含两个过孔的平行平板PDN结构图；

图5是含两个过孔平行平板PDN的等效电路图；

图6是仿真得到的过孔直径与电感之间的关系图；

图7是过孔直径为32mil时电源阻抗与频率之间的关系图；

图8是过孔直接为40mil时电源阻抗与频率之间的关系图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种抑制集成电路供电电源纹波的系统、方法、介质、设备及终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

为了使本领域技术人员充分了解本发明如何具体实现，该部分是对权利要求技术方案进行展开说明的解释说明实施例。

一种抑制集成电路供电电源纹波的方法，利用谐振腔模型对PCB平行平板结构进行建模；利用麦克斯韦方程组、二维波动方程以及格林函数得到过孔等效电感表达式；理论分析与仿真分析相结合得到过孔等效电感与过孔直径之间的关系；以过孔的等效电感表达式为理论依据，通过调整过孔直径，实现电源纹波最小化设计。

如图1所示，所述电源纹波最小化设计的方法，包括以下步骤：

步骤一，对于只含单个激励源的情况，采用谐振腔模型对平行平板结构进行建模，得到平行平板上任意一点的阻抗表达式；

步骤二，得到含两个过孔的平行平板PDN结构的阻抗与电感及电容的关系；

步骤三，联立得到的两个阻抗表达式，得到所有模式叠加的电感表达式；

步骤四，通过含两个过孔平行平板PDN的等效电路模型，得到低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式；

步骤五，联立两个电感表达式，得到低频情况下过孔的等效电感，理论分析过孔内径与不同过孔间距对过孔的影响，进而分析对PCB电源完整性的影响；

步骤六，改变过孔直径进行仿真，选择最优过孔直径，得到最优过孔结构，实现电源纹波最小化设计。

步骤一中的阻抗的含义以及计算方式：

在平行平板的长宽分别为t

其中，V

步骤一中的电流和电压的含义与计算方式：

对于平行平板间的过孔，可以用两板间馈入的电流源对其进行等效建模，实际的过孔结构是圆柱体，为简单起见，在这里假设过孔为矩形，馈入矩形区域电流源的密度为J

该区域的电压大小为：

所述E

将激励源加入二维波动方程，建立完整的波动方程，该方程为：

对于理想磁壁条件(PMC)，有：

对于二维波动方程，借助格林函数求解该方程，对于平板长和宽分别为a、b，板间厚度为d的矩形平板结构，格林函数为：

由PEV边界条件，可以得到格林函数的边界条件为：

格林函数是一系列本征函数的叠加，首先求解满足上述微分方程的本征解，设本证函数为φ

令：

φ

可得：

令：

k

X(x)＝Asin(k

Y(y)＝Csin(k

由理想磁边界条件可知：

即对于y而言有

以及：

为了得到Y(y)的非零解，D不能为0，因此有：

同样的，对于x也有相似的边界条件，可以得到：

A＝0

因此本征函数的解为：

本征函数具有正交归一性，利用该性质，写出如下的表达式：

可得：

可得：

联立上式可以求解出BD的值：

其中：

最终得到本征函数的解为：

通过本征函数的叠加，可以得到格林函数的表达式为：

通过对格林函数的几份求得平行平板之间的电场，电场的表达式为：

步骤二中的含两个过孔的平行平板PDN结构的阻抗与电感及电容的关系：

其中，C

平行平板的电容计算方式：

其中，a为PCB平行平板的长度，b为PCB平行平板的宽度，d为PCB平行平板的厚度，ε为相对介电常数。

步骤三中的所有模式叠加的电感表达式：

所述的电感计算方式：

/>

其中，

a和b分别为平行平板的长和宽，d为板间距离，(x

步骤四中低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式：

求解矩阵可得：

其中，V

为低频情况下IC端口处感受到的回路电感L

L

应用所述方法设计的抑制集成电路供电电源纹波系统，包括：

阻抗计算模块，用于得到平行平板上任意一点的阻抗表达式以及阻抗与电感及电容的关系；

电感计算模块，用于得到所有模式叠加的电感表达式以及低频情况下IC端口处感受到的回路电感表达式；

过孔等效电感计算模块，用于得到低频情况下过孔的等效电感；

理论分析与仿真分析模块，用于对不同过孔直径进行分析，得到最优过孔结构，实现电源纹波最小化设计。

一种计算机设备，计算机设备包括存储器和处理器，存储器存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如所述电源纹波最小化设计方法的步骤。

一种计算机可读存储介质，存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时，使得处理器执行如所述电源纹波最小化设计方法的步骤。

一种信息数据处理终端，信息数据处理终端用于实现如所述的抑制集成电路供电电源纹波系统。

本发明实施例理论与仿真结合，证明了过孔直径对过孔等效电感的影响，可以有效地降低电源纹波并且减少电源完整性问题，使集成电路可以正常工作。

为了证明本发明的技术方案的创造性和技术价值，该部分是对权利要求技术方案进行具体产品上或相关技术上的应用实施例。

应用1：目前电机驱动系统已经被广泛应用于电气伺服传动、交通运输、家用电器、医疗设备、国防等领域，随着技术的发展，各行各业对电机驱动系统性能的需求也逐步提高。性能更加优越的碳化硅MOSFET作为功率器件越来越受到关注。本发明的技术方案可以应用于电机驱动系统，可以从一定程度上解决由碳化硅MOSFET等功率器件造成的电压纹波问题，保障电机驱动系统的正常运行。

应用2：由于现代飞机机载电子设备种类众多，具备高频率、高处理速度、高灵敏度、高安装密度、高集成度等特点，所以飞机中集成电路所面临的电源完整性问题是一个重大而复杂的问题。本发明的技术方案可以应用于飞机中大量集成电路的电源完整性问题的解决，保障飞机中大量数字集成电路的正常工作。

应用3：随着高速器件的快速发展，信息技术设备的数字信号频率越来越高，气体绝缘变电站中电子互感器面临着越来越严峻的电源完整性问题的挑战，已有的电源阻抗优化方案已经不能够满足实际的需要。本发明的电容组合最佳方案可以应用于气体绝缘变电站中电子互感器的电源完整性问题的解决，以保证电子互感器的正常运行，推动电力系统智能化建设。

本发明实施例在研发或者使用过程中取得了一些积极效果，和现有技术相比的确具备很大的优势，下面内容结合实验过程的数据、图表等进行描述。

本发明实施例中，设定过孔的内径为4mil，过孔的反焊盘直径为20mil。

如图2所示，本发明实施例中推导阻抗表达式包括以下步骤：

第一步，对两层平行平板结构进行分析，可以得出该结构下只存在z方向的电场与x方向和y方向的磁场；

第二步，将两层平行平板结构下电场和磁场的值，代入到无源麦克斯韦方程组中，进而得到二维波动方程；

第三步，假设平行平板边缘为理想磁壁条件，借助格林函数，得到平行平板间电压表达式与过孔区域的电流表达式；

第四步，联立平行平板间电压表达式与过孔区域的电流表达式，得到阻抗表达式。

如图3所示，本发明实施例中图3是PCB平行平板结构中的电场和磁场图，在这里假设过孔为矩形，馈入矩形区域电流源的密度为J

如图4所示，本发明实施例中图4是PCB含两个过孔的平行平板PDN结构图，(x

如图5所示，本发明实施例中图5是PCB含两个过孔平行平板PDN的等效电路图，V

如图6所示，本发明实施例中图6是matlab仿真得到的过孔直径与电感之间的关系图，可以看出随着过孔的增大，过孔的等效电感整体呈现下降的趋势；

如图7与图8所示，本发明实施例中图7是过孔直径为32mil时电源阻抗与频率之间的关系，图8是过孔直接为40mil时电源阻抗与频率之间的关系，通过对比可以看出，随着过孔直径的增加，电源纹波情况降低。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体，或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所做的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。