PCB 設計同步分析 6 大隱藏技巧一 : 電源設計最佳化 IR Drop

小學徒

By Jiefu Wu, Graser

【 PCB 設計同步分析 】系列專題將解密六大隱藏分析技巧，幫助 EE、Layout 人員在設計前期階段不需依靠 SI / PI 專家就能做初步的模擬分析，快速找出並排除常見訊號 / 電源問題，提升設計品質和效率。接下來會帶領大家一一解鎖 IR Drop、Coupling、Impedance、Crosstalk、Reflection、Return Path 分析技巧，歡迎共同探討。

一個理想的電源供應環境，對電子產品的運作至關重要；而如何提供良好的電源供應，除了在硬體設計時規劃足夠的電源功率以供應負載，在 PCB 設計時針對電源傳輸路徑進行分析最佳化，避免 IR Drop 產生，亦是必要的過程。

本系列首篇將與大家分享如何使用 Allegro 的 IR Drop 分析功能，在 PCB 設計過程中快速進行壓降分析，幫助 PCB 設計團隊即時排除常見電源問題，最佳化電源供應設計。

什麼是 IR Drop?

在開始之前我們先來說說什麼是 IR Drop。想像一下：將一張 PCB 化作人體的血液循環系統，PCB電源供應的源頭好比是心臟，PCB 上的各種零件是不同的器官，而電源供應的路徑就是血管。

當血液從心臟流到各個器官時，如果某部分的血管壁阻塞，便會造成嚴重的疾病。若發生問題的部位是在腦部，就會造成腦部缺血型栓塞，也就是我們說的腦中風；同樣的情況拿到 PCB 上來說，如果電源導通路徑過窄，電阻過高，便會造成電壓衰退 (IR Drop)，使元件動作不正常。

Vdrop ＝ I * R

為什麼需要 IR Drop 分析?

一般在設計 PCB 時，IR Drop 常於以下幾種情況發生：

1.	電源路徑過長。
2.	電源路徑過窄。
3.	電源鋪銅平面過孔 (VIA) 換層傳輸，但孔徑過小及數量不足。
4.	電源鋪銅平面經過它層通孔密集區，導致鋪銅破碎形成瑞士起司效應 (Swiss Cheese)。(圖1)

                               
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圖 1. 瑞士起司效應

以往 PCB 設計團隊在處理電源部分時，多半依據過往經驗或是其他輔助計算工具 (如 Saturn PCB Design) 來評估電源平面鋪銅或是走線過孔是否合理。在大部分的時候，如果你足夠細心，會詳細檢查並修正設計，基本上成果應該不會有太大問題。但天有不測風雲，人有旦夕禍福。

PCB 設計團隊要處理面對的問題有千百種，不單單僅是 PCB Layout。有時候雜事一多，你就忽略了本來需要修正的地方；更有時候可能 PCB 設計人員的經驗不是那麼足夠，他認為電源有接上就沒問題了。就執筆者本身的經驗，就常遭遇到如上提及的情況：電源鋪銅平面過孔 (VIA) 換層傳輸，但孔徑過小及數量不足。

在某個案例裡，電源經由平面鋪銅供應到 PCB 中央的 BGA 區域，中間先經過一顆電容濾波。鋪銅的寬度足夠，沒問題；電容的選用也很合理，零件 Footprint 夠大 (1206)，PAD 面積足以應付電流供應。一切都看起來很理想。

但是，問題就是這個: 在每一個電容的 PAD 上，只打了 2 個僅 8mil 孔徑的 VIA 孔來做導通。
悲劇結果就不用多說了。在接下來的改版當中工程師花費了相當多的時間去修正零件佈置及針對每一個電容 PAD 增加大孔徑的導通孔。

另一個例子是 PCB 上有多顆 Power IC 串接，但只使用 10mil 線寬的走線，導致系列成品在使用一段時間後 Power IC 開始產生異常。

或是下圖中左右兩片大平面鋪銅，僅靠一段窄銅面連接，這當中一定有什麼誤會!

                               
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若能在一開始設計 PCB 電源部分時，能有一個直觀的輔助分析工具幫助工程師即時分析、即時檢查、即時修正，將可大大減少設計重複修改的機會。套一句現在流行的話，超前部署，避免心血結晶於最後關頭付之一炬。

如何執行 IR Drop 即時分析 PCB 電源設計

現在 Allegro 中導入了 Sigrity 專業的模擬分析技術，將 IDA (In-Design Analysis, 設計同步分析) 帶入 PCB 設計流程之中，幫助 PCB 設計團隊預先且即時的分析電源設計，並修正不理想的部分，使設計效率提升，不良機率減少。下方影片將帶你快速瞭解 Allegro 的 IR Drop 分析工作流程。

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https://www.graser.com.tw/technote_allegro_tech39.htm