環能與車電工程處 李沛錦 

近年來，車載系統主要朝向智慧化、聯網化及多功能整合的方向發展，系統之複雜度及功能需求與日俱增。在智慧車電系統架構中，印刷電路板（PCBA）之電路設計扮演著非常關鍵角色，而電源完整性（Power Integrity，PI）亦已成為影響系統穩定性與可靠性的核心議題之一；電源完整性係指電子系統中，電源能夠穩定提供元件所須之電壓與電流的能力。倘若電源不穩定，將可能會導致元件失效而使系統無法正常運作，甚至可能會危及行車安全。有鑑於此，智慧車電產品在電路設計初期，利用電腦輔助工程分析技術（Computer Aided Engineering，CAE）進行PCBA之電源完整性模擬與對策，確有其必要性。 

電源完整性的首要挑戰是電壓衰退（IR Drop）。在智慧車電系統中，電子模組皆仰賴穩定的電源供應，然而當電流流經PCBA上的電源分配網路（Power Delivery Network，PDN）時，會因電路中導體本身的阻抗（R），造成電壓在電源端與負載端之間產生電壓下降（I×R）的情形，倘若此電壓衰退的幅度超過元件可容許範圍，將可能導致系統重啟或功能異常。透過PCBA之電壓衰退模擬分析，將可提前掌握哪些地方可能會出現過大的電壓降（如圖1所示），並採取相應的措施（如增加導線的寬度或優化鋪銅平面及過孔…等）來減少電壓衰退，以確保供應到每個元件的電壓都在其工作範圍內，不會因為過大的電壓降而導致元件無法正常運行。一般而言，電壓衰退之允收標準會按照供電電壓的百分比來定義，通常不能超過供電電壓的±2~5%，以期能夠得到穩定的電源供應。

 圖1、電壓衰退模擬結果示意圖

資料來源：ANSYS Inc.

此外，電源路徑的阻抗特性（Z-Parameter）亦是電源完整性設計的重點，由於電子元件在切換狀態時會瞬間吸收大量電流，進而造成PDN上的電壓波動。倘若PDN阻抗過高，這些電流脈衝就會轉換成擾動電壓，導致晶片誤動作或系統不穩，進而影響到電源的穩定性和雜訊的大小。因此，Z參數模擬分析可以幫助我們瞭解電源系統在不同頻率下的阻抗特性（如圖2所示），並可針對阻抗過高的頻率以去耦電容或結構調整…等方式，來避免阻抗響應造成過大的電壓擾動與雜訊放大。一般情況下，會根據電源傳輸網路中可接受的抽載電壓漣波區間，或是希望可以承載的高峰電流，來定義出所期望的目標阻抗（Target Impedance），並要求在特定的頻率範圍內，符合低於目標阻抗的要求，以確保電源能夠穩定地供應給電子元件，並且能夠有效地減少電源雜訊和電壓波動對系統的影響。

圖2、Z-Parameter模擬結果示意圖

資料來源：網際星空

另一個不可忽視的議題是諧振模態（Resonant Mode）所造成電源不穩定的問題。由於智慧車電系統中，PCBA通常包含多層電源與地層結構，而這些電源層間的寄生電感、電容皆可能產生諧振效應，並在特定頻率下造成高阻抗尖峰；然而，這些諧振頻率可能在系統運作過程中造成電源電壓的突波或震盪，進而使電源穩定度受到影響。倘若諧振頻率落在系統的切換頻率附近，將可能使雜訊被放大，進而造成訊號失真或系統錯誤引發EMI 的問題。因此，透過諧振分析將可有效地找出電路中潛在的諧振頻點及可能產生諧振的電路位置，並藉由調整去耦電容與佈局方式來抑制共振效應（如圖3所示）。

圖3、諧振模態分析結果示意圖

資料來源：ANSYS Inc. 

車輛中心（ARTC）已完成智慧車電PCBA電源完整性模擬技術建立，日後可對於國內智慧車電業者提供技術輔導與產業服務。倘若需要進一步瞭解相關內容細節，歡迎洽詢車輛中心/環能與車電工程處/工程分析中心/李沛錦副工程師。電話：04-7811222分機3325/ E-mail：raisa@artc.org.tw