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PI Stream

PIStream

What is PIStream?

PIStream는 PCB에 대한 PI(power integrity) 해석 및 설계 Tool로써 Transfer Impedance를 감소시켜 설계자의 Target Impedance를 충족시키는데 도움을 주는 Tool입니다. 개발자는 PIStream을 이용하여 Power와 GND Plan과의 거리, Plane의 형태 그리고 Capacitor의 추가와 위치 변경을 통해 Target Impedance를 충족시킬 수 있습니다. 또한 Transfer Impedance Analysis 기능을 이용하여 Aggressor IC와 Victim IC 사이의 노이즈 전파를 감소시킬 수 있습니다. Graphic 기반의 해석 Tool인 PIStream은 사용자에게 편의성과 빠른 분석기능을 제공하여, 제품 개발과정에 효율적인 시간과 비용이 소요되도록 신뢰성 높은 PI(power integrity) Solution을 제공 합니다.

 
PIStream Functions
 

PIStream은 PCB 개발자들에게 Input Impedance를 저감시키고 Target impedance를 충족시켜 PI(Power Integrity)에 의해 발생되는 문제를 개선할 수 있도록 지원합니다. PI(Power Integrity) 문제는 PDN(Power Distribution Network)의 IC 소비 전력과 관련된 IR drop(Voltage drop)에 의해 발생 됩니다. PIStream은 PI(Power Integrity)설계를 위한 3가지 핵심기능( Input Impedance Analysis, Transfer Impedance Analysis, DC Analysis (IR Drop)을 지원합니다.

Goal Of PIStream

Noise 는 EMI 뿐만 아니라 SI 문제의 원인이 됩니다.
Aggressor IC와 Victim IC 주변의 알맞은 전압 변동과 Target Impedance에 만족하도록 Input Impedance 유지하는 것은 Noise 로 인한 문제점을 개선하기 위한 가장 먼저 확인해야 될 항목 입니다. 설계 단계에서 Target Impedance를 충족 한다면 Quality Improvement, Cost Effective, Quick Time to Market 의 효과를 볼 수 있습니다.

 

PI (Power Integrity) is One of Noise Factor

■ Trend in IC and PI Issue 

최근 IC는 낮은 구동 전압과 빠른 동작속도의 사양 변화로인해 Power Noise의 문제가 증가되고 있습니다.
전원 Source로부터 PDN(Power Distribution Network)상에 IC의 소비전류는 IC오동작 문제와 연관된 전압강하의 원인이 됩니다.
따라서 Noise문제를 피하기 위해서는 PDN상에 작은 Impedance를 유지하는 것이 좋습니다.
최근 IC의 Switching Peak전류 사양은 지속적으로 증가하고 있고, 높은 전류 사양으로 Peak전류의 동일 시점에서 전압 강하가 문제로 발생되고 있습니다. 이러한 Voltage fluctuation때문에 Clock의 주기가 상이한게 나타나고 이로 인해 심각한 PI(power integrity)문제가 발생하고 있습니다.

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PIStream은 설계 단계에서 DC, Input Impedance, Transfer Impedance와 관련된 전압 강하 문제를 해결할수 있으며, 시각적인 결과 Data 제공합니다. 또한 엔지니어의 요청에 대응할 수 있도록 빠른 응답속도와 높은 신뢰성으로 사용자의 편의성을 제공합니다.

■ Jitter generation caused by voltage fluctuation

Reference Clock의 Jitter 와 아날로그 전압 변동은 Eye pattern을 저하시킵니다. Jitter는 PI문제의 원인에 의해 발생되므로 단지 SI Tool을 사용하여 Jitter를 억제하기에는 한계가 있다.
다음 그림은 전력 IC에 필터를 추가한 전/후의 효과를 보여줍니다. 필터를 추가한 후, Eye diagram더 선명해지고 Eye Mask는 더 넓어 집니다.

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■ Verifying Analysis Accuracy

다음의 그래프는 실제 측정결과(블루 라인)와 PIStream계산 결과(핑크 라인) 사이를 비교한 그래프로, 3GHz까지 범위내에 PIStream으로 계산된 S21과 실제 측정된 S21의 상관 관계를 보여줍니다. PIStream은 S21값을 산출 하기위해 Output Analysis Model을 이용하여 분석합니다.

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PIStream 은 Input Impedance를 계산하고, de-caps을 추가하거나 Capacitor의 위치를 변경함으로써 Target impedance를 충족 시키기 위한 Solution을 제공합니다.

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1. Countermeasure by Input Impedance Analysis

Case 1: Target impedance achieved by adding capacitors around target IC.

목표로 하는 IC의 빨간색 영역 주변에 Capacitor를 추가하여 Input impedance가 Target impedance아래에 위치하도록 만들어 줍니다. 사용자는 이분석을 통하여 Capacitor의 위치와 수량을 최적화할 수 있습니다.

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Case 2: Target impedance achieved by changing thickness between power and GND plane.

이 경우는 Insulator의 두께를 얇게 만들어 Input impedance가 Target impedance아래에 위치하도록 만든 예 입니다.

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2. Auto Capacitor Placement

이 기능은 공진 주파수에 대해 Capacitor를 최적화하여 자동으로 IC의 전원 핀 근처에 배치하는 기능입니다.
그림은 Capacitor의 자동 배치실행 전/후 결과를 보여줍니다. 이 기능을 실행하기 전 Input impedance는 Target impedance범위를 넘어서는 것을 확인할 수 있으며, Target impedance범위를 만족시키기 위해 이 기능을 실행한 결과 8개의 Capacitor가 IC 전원 핀 주위에 배치되었습니다. 이때 Input impedance는 Target impedance를 만족하는 것을 확인할 수 있습니다.

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3. Target Impedance Setting for Input Impedance Analysis

사용자는 GUI를 이용하여 IC Vender가 지원하는 허용 가능한 최대 Impedance 값을 적용할 수 있습니다. 또한 이 GUI는 CSV 파일로 Import할 수 있습니다.

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PIStream은 서로다른 IC간에 내부 RF 간섭 Noise의 전환을 피하기 위해 Transfer impedance를 계산합니다.
이 기능을 사용하면 전원의 Aggressor IC에 의한 Noise분포를 확인할 수 있습니다. 붉은 영역은 높은 Transfer impedance영역을 의미하며, 이는 Aggressor IC가 전류를 소모할 경우 큰 전압강하(IR drop)가 나타나는 확인할 수 있습니다. 이러한 전압 강하를 방지하기 위해, 사용자는 붉은색 영역에 Capacitor를 추가할 수 있습니다. Capacitor를 추가하면 Transfer impedance가 감소되며 Noise분포는 억제되어 붉은색 영역은 초록색으로 변하는 것을 확인할 수 있습니다.

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이 분석은 색상의 gradation map을 이용하여 Transfer impedance Z21을 보여 줍니다.
Transfer Impedance는 IC의 전원으로부터 방사된 Noise의 Power에 의해 계산 됩니다.

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PIStream은 각 IC의 대한 IR drop을 색상의 Gradation으로 나타낼 뿐만 아니라 IR drop값을 계산합니다.

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개발자는 PIStream을 이용하여 설계 단계에서 Plane의 모양, Power와 Ground plane사이의 거리 뿐만 아니라 Capacitor의 적절한 위치까지 확인하며 설계를 하였습니다. 이 과정에서 전원과 접지면 사이의 거리를 고려한 설계를 통해 다층의 PCB에서 4층으로 감소 시켰고, Capacitor의 위치와 수량을 최적화 함으로써 제조 비용의 40%를 절감할 수 있었으며, PI의 문제로 인해 반복적으로 발생되는 과정을 감소시켜 전체 개발기간을 평소보다 3주나 빨리 앞당길 수 있었습니다. 그 결과 이 과제를 진행하면서 이전대비 수백만 달러를 절약할 수 있었습니다.

 

■ Comparison between simulation and measurement

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이 그래프는 PIStream에 의해 계산된 값과 실측 값을 비교한 그래프입니다. 굵은 선은 실제측정 값이고, 가는 선은 PIStream을 이용한 시뮬레이션 결과 값 입니다. 그래프의 Self-Resonance 주파수 주변에서, 실제 측정된 최소값 -20dB ohm과 PIStream에 의해 계산된 -35dB ohm과의 오차가 확인 되지만 이는 0.1 ohm의 오차로 허용 가능한 수치입니다.

■ Operation Environment

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■ PCB Layout CAD Interfaces

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