引言：上一篇介紹了BGA封裝PCB層數估計、BGA焊盤設計、過孔設計、信號走線等內容，本文我們介紹下FPGA BGA封裝電源管腳布線。

1. 概述

工程師必須在設計階段早期評估功率需求，以確保有足夠的層和面積為需要功率的BGA焊盤提供足夠的功率。因為大多數BGA電源引腳位于BGA區域的中心，所以電流行進的路徑穿過BGA區域中的無數過孔。過孔之間的空間可以保守地承載約0.05A/mil的走線寬度（對于0.5盎司的銅）。過孔之間的跡線寬度由過孔的節距（通常與BGA的節距相同）、過孔鉆頭直徑和制造廠定義的鉆銅規格來定義。下圖顯示了如何計算可以通過每個通路的電流量。確保電源平面足夠寬，足夠包容，以便為BGA電源球提供所需的安培數。以下方程可用于計算每個通道的電流：

圖1：BGA區域內的電力輸送（0.5盎司銅）

下表顯示了0.8 mm和1.0 mm間距器件的每個通道的電流值。由于0.5mm器件的間距非常細，因此不可能在標準過孔之間布線。為了到達電源平面，對于0.5mm焊盤器件建議通過BGA焊盤下的微過孔實現與電源層互聯。

表1：0.8 mm、0.92 mm和1.0 mm器件的每通道電流計算

2. 用于遠距離電壓感測線（Sense Lines）的PCB布線

為了正確補償由于高電流負載引起的PCB上的IR電壓降，電壓調節器模塊（VRM）感測線的正確布線對于在ACAP管芯處保持適當的電壓電平至關重要。

注意：由于調節器的設計、引腳和要求各不相同，請務必始終遵循VRM供應商的感應線建議。

2.1 感應線的用途

由于電壓調節器通常與它們供電的設備相距很遠，因此在調節器和負載的主要點之間的電壓通常存在DC電壓IR下降，特別是在存在高電流負載的情況下。如果調節器沒有考慮到這種下降，負載點的電壓可能比調節器看到的要低很多。由此產生的較低電壓可能超出正確器件操作所需的極限。下圖說明了電流的方向和由此產生的電壓降。

圖2：VRM和負載點之間的直流電壓降

為了克服這種電壓降，調節器實現了從調節器直接連接到負載點的感測線。這些感測線是調節器和負載點之間的直接跡線，不攜帶任何電流。因為它們不攜帶任何電流，所以調節器感測引腳處的電壓與負載點處的電壓完全相同。因此，調節器可以根據需要適當地調節其輸出電壓，使得負載點處的電壓在所需的規格內。下圖說明了從VRM到負載點的感測線的放置和布線。

圖3：感應線示例

2.2 感應線的局限性

1）電壓差

因為感測線只能放置在負載點的一個位置，所以感測點前面的其他區域可能顯示出更高的電壓，而負載點之外的點可能顯示出更低的電壓。下圖說明了這種電壓差異。當電流從VRM流到負載點時，點V1處的電壓高于V2處的感測點。同樣地，點V3處的電壓低于感測點V2處的電壓。

圖4：BGA引腳中不同點的電壓 2）只有一個感測引腳的VRM

某些VRM不包括用于接地的感測引腳。這種布置的主要限制是VRM不考慮負載點處接地電壓的波動，導致電壓調節不太精確。

2.3 帶專用檢測引腳的ACAP

Select Versal ACAP包含用于VCCINT及其相關接地回路的專用遠程電壓感測引腳。它們提供了對模具最接近的觀察。下圖顯示了具有專用感測引腳的ACAP的推薦感測線路布線。

?在ACAP附近放置內聯0Ω電阻器：

○ 需要電阻器來確保感測線被布線為跡線，并且不會掉到平面上。

?將感應線路布線為50Ω松耦合差動傳輸線路：

○ 需要接地才能感應到電源和接地之間的真正差異。

圖5：專用感測引腳布線

2.4 無專用檢測引腳的ACAPS

對于沒有專用感測引腳的ACAP，感測線連接應連接到盡可能靠近ACAP上最重要負載點的BGA球。這可以通過直流模擬或Vivado工具中的設備視圖進行最佳估計。如果無法估計負載點，建議將感測連接朝向BGA引腳場的中心。將球放置在離調節器最遠的位置也是一種選擇，但不太可取。

?在ACAP附近放置內聯0Ω電阻器：

○ 需要電阻器來確保感測線被布線為跡線，并且不會掉到平面上。

?將感應線路布線為50Ω松耦合差動傳輸線路：

○ 需要接地才能感應到電源和接地之間的真正差異。

為了實現最佳的功率傳輸，確保連接到感測線的球完全連接到它們各自的平面，即，不要將它們作為“間諜孔”未連接（見下圖）。

圖6：沒有專用感測引腳的布線

2.5 路由隧道和感測線的使用

一些Versal ACAP具有專門放置的BGA引腳的專用“隧道”（Tunnel），以便以最小的IR壓降提供最大的功率傳輸。這種所謂的路由隧道消除了導致電源平面出現孔洞的過孔阻擋區域。布線通道中的引腳不會直接連接到ACAP上的管芯。這些引腳的存在只是為了使VCCINT的PCB布線平面不需要來自其他信號或電源軌的過孔。

下圖顯示了帶有VCCINT引腳字段的VC1902-A2197器件的BGA引腳區域。布線隧道區域中的引腳不需要到下面的VCCINT平面的過孔，因此在向VCCINT供電的金屬平面中沒有孔。最佳感測線放置在VCCINT引腳場上路由隧道外部的任何點上。



圖7：帶VCCINT路由隧道的VC1902-A2197

下圖顯示了帶有VCCINT引腳字段的VM1802-C1760器件的BGA引腳字段。該設備上沒有路由隧道，因此BGA上的功率平面具有過孔擋板，從而降低了功率傳輸效率。建議在該引腳場中心附近的任何位置放置感測線。

圖8：VM1802-C1760 VCCINT引腳區域