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236 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 1 j 100m - 国 10m 工 1 m 二 VRM 大容 量电 容 器 陶瓷电 容 器 Ik 10k 100k lx lOx lO Ox 1g 频率 （ 对数 ） （ Hz ） 图 8-1 顶部 ： PDN 生 态学 的特 性 。 底 部 ： 从 芯片 焊 盘看过 去 的阻 抗曲 线 PDN 最 重要的特 性是峰 值 阻 抗 ， 它是 由特 …
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Chapter
8
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第
8
章
PDN
生态学
到目前为止
，
我们已经审视了与
PDN
行为有关的原理和构成
。
PDN
构成最重要的特
性是它们是如何相互作用的
。
一个元件的容性可以与另外一个呈感性的元件并联组合而且
相互作用
。
这产生了并联谐振和峰值阻抗
。
虽然我们花了很大的努力
，
希望在
PDN
上附加电容器以得到尽可能低的阻抗
，
但峰
值阻抗仍旧是个实际问题
。
这意味着我们必须将完整的
PDN
系统作为一个整体来分析
。
这就是
PDN
生态学
。
现实问题和设计策略都是基于元件之间的相互作用
，
元件存在于整个
PDN
生态学
。
只有知道了这些相互作用的性质
，
我们才能分析每个元件的最佳特性
。
最终
，
根据整个生
态学
，
我们必须评估最后的特性
。
本章仔细研究
PDN
生态学的每一部分和它们所有的相互作用
。
8.
1
元件集中在一起
：
PDN
生态学和频域
PDN
是由
VRM
到芯片电源轨之间的连接线组成的
。
在这个路径上的每一个元件都扮
演传递低噪声的角色
，
给芯片的电源轨提供恒定电压
。
若想分析
PDN,
使用频域是方便的
，
因为
PDN
中的具体元件在规定的频域内
，阻抗
行为占据统治地位
。
图
8-1
所示为从芯片焊盘看过去的典型的频域阻抗和分布在每个区域
上的物理元素
。
PDN
中
6
个特定的元素扮演着重要的角色
：
•
片上电容
；
•
封装的
PDN,
包括封装中的去耦电容器
(OPD)
；
•
板级电源和地平面
；
•
MLCC
板级的去耦电容器
；
•
与
VRM
相关的大容量电容器
；
•
电压调整模块
(
VRM)
和紧随着的大体积去耦电容器
观察电容器的容量就能识别这些物理元素影响
PDN
曲线的特定的频率范围
。
使用这
种方法的危险在于设法单独优化每一个元件时会产生误导
。
236
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
1
j
100m
-
国
10m
工
1
m
二
VRM
大容量电容器陶瓷电容器
Ik
10k
100k
lx
lOx
lOOx
1g
频率
（
对数
）
（
Hz
）
图
8-1
顶部
：
PDN
生态学的特性
。
底部
：
从芯片焊盘看过去的阻抗曲线
PDN
最重要的特性是峰值阻抗
，
它是由特征边界的相互作用产生的
。
如果注意力放在
特定的区域
（
例如
VRM
或者
MLCC
电容器
）
产生的
PDN
系统不能被优化
。
提示
优化
PDN
元素效率最低的方法就是单独考虑每一个元素
。
PDN
中的现实问题是
由以上
6
个元素相互作用产生的
。
我们必须优化整个
PDN
生态学
，
而不是每个
素
O
把整个
PDN
系统作为一个元素的生态学来考虑
，
那里有元素之间的相互作用
，
如何
发挥每一个元素的作用
，
这是最重要的
。
例如
，
片上电容和封装
PDN
的相互作用产生最
大的峰值阻抗
。
VRM
和不同的大容量电容器相互作用影响供电的稳定性
。
在这个上下文
中
，
我们把
VRM
分成两个部分
：
调整模块
，
它包括控制电路
、
感应器和其他有源电路;
大体积去耦电容器
。
电源
、
地平面
，
以及带有封装
PDN
的
MLCC
电容器和片上电容器之
间的相互作用会产生或者破坏
PDN
其他的鲁棒性
。
也有通俗的文献常常聚焦于
MLCC
的选择而不考虑系统的其余部分
，
这意味着选择电
容器容量的设计指导方针是无意义的
。
提示影响
PDN
性能最重要的特性是阻抗峰值
，
PDN
中元素之间的相互作用强烈地影
响它
。
这就是整体
PDN
生态学是最重要的原因
。
第
8
章
PDN
生态学
237
当影响一个频率范围的元素与影响相邻频率范围的元素相互作用时
，
阻抗曲线中出现
峰值
。
下一节简要地探索这些区域中每一个机制
，
以及对减小峰值阻抗提供设计指导方针
。
8.2
高频端
：
芯片去耦电容
在高频带
，
PDN
中最重要的构成和影响片上电源轨阻抗的因素是片上去耦电容器
（
ODC
）
和它附加的电阻
。
这形成了
5
个元素的组合卬
，
如图
8-2
所示
。
•
片上电源/地金属化栅网
；
•
在典型的
CMOS
电路中晶体管
p
和
n
之间集中在一起的分布栅极电容
；
•
被导通晶体管驱动的片上信号负载电容
；
•
硅扩散结电容
；
•
另外有意附加的去耦电容
。
图
8-2
片上去耦电容器的
5
个来源
。
1
）
金属化
，
2
）
栅极
，
3
）
负载
，
4
）
扩散结
，
5
）
额外附加的电容
4
F
L
J
M
T
o
J
H
L
J
-
-
在最高频率处
，
片上去耦电容器为提供低的
PDN
阻抗
，
发挥了非常重要的作用
。
在吉赫兹
范围内
，
为提供低阻抗和保持电源轨上的电压噪声低于可接受的水平
，
片上去耦电容器是唯一
起作用的元素
。
如果片上去耦电容器不够大
，
则系统的其余部分进行任何补偿都不起作用
。
提示
片上去耦电容器在最高频率处确立低阻抗
。
没有足够的片上去耦电容器会失败,
这时系统的其余部分做任何事情都是没有用的
。
没有足够的片上去耦电容器
，
在印制板上做任何事情都是没有用的
。
考虑
PDN
的鲁
棒性和价格效应
，
知道片上电容器的容量
，
这对设计过程来说是重要的输入信息
。
不幸的