Design tools for power integrity

Abstract

The time when digital designs took several times more space in printed wiring boards than today is not so long ago. Fitting the same functionality into smaller and smaller area will cause problems which require new solutions. One common problem relates to the power supply design and the interference which is always present in power rails. Nowadays digital designs have low supply voltage which affect especially to the quality of power rails. Power rails are not easy to optimize. Power integrity signifies the functionality of the power delivery network which is used to distribute power to all devices in the system. Power integrity can be improved by increasing the board area or decreasing the signal speed. However, the board area is usually limited in the mobile phones and signal speed is often made faster in order to increase the performance. Compromises have to be done in case of power integrity. In the verification stage power integrity has to be improved without affecting the board area or signal speed because they are already predefined by used components, stackuo and board outline. Therefore power ingrity is important to be analyzed because the size of the mobile phone has reduced to the point where power integrity determines the quality of the system. The purpose of the thesis was to analyze the structure of power area network and find different design methods which could improve the overall functionality from power integrity point of view. The quality of power delivery network was observed with simulation tools which can be used for decreasing the total cost of the design. Simulation tools were selected for evaluation and they have to be compatible with The Company engineering tool environment. The thesis explained the theory of power integrity. Also the simulations models and tools were observed. Simulation models were needed for describing the behaviour of different devices. Simulation tools were used for receiving proper responses from these models in order to get correct results from the design. Simulation models have to be compatible with the simulation tools. The comparison for accuracy and usability in two different simulation tools were performed in the thesis.

AB3:Nykyisin digitaalipiirit vievät monta kertaa vähemmän tilaa piirilevyiltä kuin aikaisemmin. Kun toiminnallisuudet toteutetaan yhä pienemmässä tilassa, se aiheuttaa uusia ratkaisuja vaativia ongelmia. Yksi tällainen ongelma-alue kohdistuu integroitujen piirin tehonsyöttöön sekä käyttöjännitteeseen liittyviin häiriöihin. Nykyisissä digitaalipiireissä käyttöjännite on jo niin alhainen, että sen laatuun ja häiriöiden suodatukseen tulee kiinnittää erityistä huomiota. Häiriösuodatuksen optimointi on vaikea tehtävä, joka riippuu käytetystä virtalähteestä, piirilevyn käyttöjännitteen jakeluverkosta ja siihen liittyvistä kuormista. Diplomityö keskittyi käyttöjännitteen häiriöiden poistoon ja erityisesti suunnittelumenetelmiin, joilla tehonsyötön laatua voidaan parantaa. Työssä tutkittiin suunnittelutyökaluja, joiden avulla pyritään optimoimaan piirilevyn käyttöjännitteen laatua. Työmenetelmä perustuu simulointeihin, jolloin säästytään kalliiden ja aikaa vievien prototyyppien valmistukselta. Työhön valittiin arvioitavaksi simulointityökalut, joiden pitää olla yhteensopivia kohdeyrityksessä käytössä olevan suunnitteluvuon kanssa. Työssä käsiteltiin lyhyesti tehonsyötön laadun perusteita. Tämän jälkeen tarkasteltiin käyttöjännitteen laatuun liittyviä simulointimalleja ja -työkaluja. Simulointimalleja tarvitaan laitteiden erilaisten toimintojen kuvaamiseen. Simulointityökaluja käytettiin todellista vastaavien vasteiden laskemiseksi käytettyjen simulointimallien avulla. Käytettyjen simulointimallien ja simulointityökalujen tuleekin olla keskenään yhteensopivia. Työssä vertailtiin muutaman simulointityökalun tarkkuutta ja käyttökelpoisuutta.