PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第26页
第 2 章 | Chapter 2 | PDN 阻 抗 设计 基本 原 理 2. 1 关 心 阻 抗 的 原 因 最 终 ， 如果提 供 给芯片的电 压 在 规 定 的范 围 内 ， 即 它是 一些具 有 AC 波 纹的 平均 值, 那 么 这 个 PDN 是 可 接 受 的 。 不 幸 的 是 ， 究竟这 个 电 压 能 否保 持在 可 接 受 的 水平 依 靠的 不 仅 是 PDN 设计 ， 还 有 不同 芯片 在 系统 中 的行 …
第
1
章电源分配网络工程
9
1.5
总结
1.
PDN
是由从片上焊盘到
VRM
之间的所有相互连接和它们之间的所有元件组成的
。
2.
PDN
的目的是为器件提供干净
、
低噪声电压
，
为器件提供地电源
，
为信号提供低
阻抗回路并减轻
EMC
问题
。
3.
PDN
中容差的典型噪声指标是
5%,
这是基于主要噪声源
1/3
噪声
“
预算
”
的分配额
的
，
主要的噪声源是反射噪声
、
交调和
PDN
。
4.
PDN
上的电压噪声是瞬时电源电流通过
PDN
阻抗的结果
。
噪声是阻抗曲线和瞬时
电流谱组合的结果
。
5.
PDN
噪声贡献于抖动
，
典型的灵敏度是
Ips/mV
的噪声
。
这个数值随芯片设计和
器件的技术节点而变
。
6.
应用于片上焊盘的阻抗曲线是
PDN
质量和性能最重要的度量
，
其范围为
DC
到开
关信号的最高频率分量
。
7.
目标阻抗是最大阻抗的测度
，
其最差的电压噪声应该低于可接受的指标
。
8.
PDN
比是实际的
PDN
峰值阻抗与目标阻抗之比
，
它是风险的度量
。
若
PDN
比大
于
10
则是高风险设计
。
9.
刻画阻抗曲线需要优化
PDN
的单独元件和它们之间的相互作用
，
整个
PDN
系统必
须为减小峰值而优化
。
_
10.
如果你关心
PDN
设计
，
那么本书正好适合你
。
参考文献
[1]
L.
D.
Smith,
R.
E.
Anderson,
D.
W
Forehand,
T.
J.
Pelc,
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Roy,
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Power
distribution
system
design
methodology
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capacitor
selection
for
modem
CMOS
technology,
“
IEEE
Trans.
Adv,
Package
vol.
22,
no.
3,
pp.
284-291,
1999.
第
2
章
|
Chapter
2
|
PDN
阻抗设计基本原理
2.
1
关心阻抗的原因
最终
，
如果提供给芯片的电压在规定的范围内
，
即它是一些具有
AC
波纹的平均值,
那么这个
PDN
是可接受的
。
不幸的是
，
究竟这个电压能否保持在可接受的水平依靠的不
仅是
PDN
设计
，
还有不同芯片在系统中的行为
，
即它们执行的是什么功能和它们拉出电
流的频谱
。
在电路板的某个位置上
，
当它运行在特别的代码部分时
，
被测量的电压是可接受的
。
可是
，
这不能保证运行在其他微码时同样会产生可接受的结果
。
在芯片焊盘上测量的电压
比在印制板上的电压有更多的噪声
。
这使得接受电源分配网络的测试变得困难
。
作为初步近似
，
电压噪声是被不同芯片拉
出的电流谱产生的
，
其中它流过电源分配网络相互连接线的阻抗
。
如果我们知道由芯片拉出的最差电流
，
例如
，
基于门的使用或者仿真
，
并知道由测
量
、
仿真或计算得到的电源分配电络的阻抗
，
那么我们就能在最差情况且为实际条件下计
算出预期噪声
。
虽然我们不能产生在终端用户测试环境中被拉出的每一个电流波形
，
但基于它的阻抗
行为评估
PDN
的可接受性是可能的
。
阻抗能成为
PDN
设计可接受性的替代测度
。
提示
如果你不知道片上电源电流的特殊频谱
，
那么你可以使用
PDN
阻抗曲线作为
PDN
设计中可接受性的替代测度
.
如果阻抗是鲁棒性
PDN
质量的测度
，
那么
PDN
设计就可简化为目标阻抗值的设计
。
这使得阻抗成为
PDN
性能中最重要的设计度量
。
我们应理解阻抗的各个方面信息
，
了解
选择元件和物理设计如何影响阻抗成为
PDN
设计中重要的方面
。
我们从讨论阻抗和电容
器的阻抗特性开始这个过程
。
在一
般的电
子设计中阻抗是基本电量
，
是
PDN
设计中最为重要和基本的原理
。
2.2
频域中的阻抗
阻抗是指元件两端电压和流过它的电流之比
：
第
2
章
PDN
阻抗设计基本原理
11
Z
=
~
(2-1)
式中
，
Z
是元件两端的阻抗
；
V
是元件两端之间的电压
；
/是通过元件从一个端口进入从
另外一个端口流出的电流
。
这个基本的定义可用于时域和频域
，
也能延伸到多端口元件中
，
例如
，
两个平面中不
同位置之间的电压⑴
。
这是在本章结尾处描述的转换阻抗的基础
。
虽然阻抗在时域和频域内都能很好地定义
，
但对理想元件(如电容器或电感器)
，
在频
域内对阻抗的定义有更加简单的描述
。
提示
阻抗在时域和频域都能很好地定义
，
在频域其更为简单和容易
。
这就是为什么
在这个域用于表示和分析
PDN
阻抗
。
例如在时域
，
通过理想电容器的电流是:
式中
，
/是流过电容器的电流
；
。
是电容器的电容值
；
V
是电容器两端的电压
。
使用阻抗的定义
，
在时域内电容器的阻抗是
V
Z
=
-^7
(2-3)
「
dv
。
正
正如我们预期的那样
：
它是连续的
，
dV/ck
越大
，
流过电容器的电流越大
，
阻抗越小
。
理想电容
器的阻抗依赖于电容器两端电压波形的斜率
。
虽然这个表达式是绝对准确的
，
但是在实际应
用中
，
使用它是令人尴尬的
，
因为阻抗与电容器两端电压波形形状的依赖关系是很复杂的
。
当我们将其转换成频域
，
它仅允许波形是正弦波
，
电容器的阻抗取简单形式
：
Z
―
―
(2-4)
aiC
式中
，
Z
是理想电容器的阻抗
；
。
是理想电容器的电容值
；
j
是
一
1
的平方根
；
s
是角频率
为
2
7
r
九
同样
，
在频域内理想电感器的阻抗与时域相比也有简单的形式
：
Z
=
]
oj
L
(2-5)
式中
，
Z
是理想电感器的阻抗
；
L
是理想电感器的电感值
；
j
是
一
1
的平方根
；
s
是角频率
，
为
2
小
因为在频域内阻抗有简单的形式
，
所以对于很多问题在频域内都能很快得到答案
。
这
使我们有目的地离开时域
，
工作在频域
。
与阻抗有关的问题通常是在频域上分析的
。
提示虽然常常在时域评估性能
，
但我们有时通过频域来走捷径很快就能得到回答
。
这是考虑频域分析的最重要理由
。
阻抗中的
“
j
”
意味着阻抗是复数
—
—
在任意频率下它都有两个值
。
它可用幅度和相位或