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

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：

1、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。

2、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％。

3、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。

技术实现思路

1、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。

2、本发明的技术方案为：

3、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。

4、进一步地，所述电源纹波最小化设计的方法，包括以下步骤：

5、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；

6、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；

7、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；

8、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；

9、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；

10、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。

11、进一步地，步骤一中的阻抗的含义以及计算方式：

12、在平行平板的长宽分别为txi和tyi的矩形区域上均匀馈入电流密度为jvia的电流，可以在端口i测得一个电压值，通过计算端口i电压和j点电流的比值，可以求得从j点到i点的阻抗；对于只有一个激励的情况，可以得到阻抗的表达式为：

13、

14、其中，vi为端口i的电压，ij为端口j的电流，zij为j点到i点的阻抗；

15、步骤一中的电流和电压的含义与计算方式：

16、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jvia，电流密度在矩形区域内均匀分布，矩形结构长和宽分别为txi和tvi，该区域的电流大小为：

17、

18、该区域的电压大小为：

19、

20、所述ez(x，y)电场的计算方式：

21、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：

22、

23、对于理想磁壁条件(pmc)，有：

24、

25、

26、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：

27、

28、由pev边界条件，可以得到格林函数的边界条件为：

29、

30、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φmn，则有：

31、

32、

33、令：

34、φnn(x，y)＝x(x)y(y)

35、可得：

36、

37、令：

38、

39、

40、kx与ky是与x，y无关的常量，且k2mn＝k2x+k2y，x(x)和y(y)的解为：

41、x(x)＝asin(kxx)+bcos(kxx)

42、y(y)＝csin(kyy)+dcos(kyy)

43、由理想磁边界条件可知：

44、

45、即对于y而言有

46、

47、以及：

48、

49、为了得到y(y)的非零解，d不能为0，因此有：

50、

51、同样的，对于x也有相似的边界条件，可以得到：

52、a＝0

53、

54、因此本征函数的解为：

55、

56、本征函数具有正交归一性，利用该性质，写出如下的表达式：

57、

58、可得：

59、

60、可得：

61、

62、

63、联立上式可以求解出bd的值：

64、

65、其中：

66、

67、

68、最终得到本征函数的解为：

69、

70、通过本征函数的叠加，可以得到格林函数的表达式为：

71、

72、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：

73、

74、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：

75、

76、其中，cp为平行平板间的电容，lij为所有模式叠加的电感表达式；

77、平行平板的电容计算方式：

78、

79、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。

80、进一步地，步骤三中的所有模式叠加的电感表达式：

81、

82、所述的电感计算方式：

83、

84、其中，

85、

86、

87、

88、

89、a和b分别为平行平板的长和宽，d为板间距离，(xi,yi)和(xj,yj)是端口i和端口j的中心坐标，(txi,tyi)和(txj,tyj)是端口i和端口j的宽度。

90、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：

91、

92、求解矩阵可得：

93、

94、其中，vp代表端口处的电压，vs代表短路处(即返回平面上)的电压，ip代表端口处馈入的电流，is代表短路处的电流，ip＝is；

95、为低频情况下ic端口处感受到的回路电感ltotal，当过孔相距较劲时，平面电感可以忽略不计，由此可见，ltotal的表达式为：

96、ltotal＝l11+l22-l12-l21。

97、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：

98、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；

99、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；

100、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；

101、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。

102、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。

103、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。

104、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。

105、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：

106、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：

107、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。

108、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：

109、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。

110、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：

111、(1)本发明的技术方案转化后的预期收益和商业价值为：

112、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。

113、(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：

114、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。