PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第263页
第 8 章 PDN 生 态学 247 提 示 片 上 电 容 和 封 装 回 路电 感 的组 合产 生 并 联谐 振 的 峰 值 阻 抗 ， 这 是完整 PDN 生 态 学 中 最 重要的特 性 ， 在 PDN 设计 中 它是推 进 原 理 。 当开始建 立 PDN 生 态学时 ， 从 这里的第 一个例 子 中 看 到了 新 的行 为 。 片 上去 耦电 容 器和 封 装 回 路电 感 的相 互作 用 产 生 了 新 的行 为 ， 它有…
246
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
它对串联电阻的贡献大约为
10mn
o
单一电源-地对的总
ESR
是每个腿
20m
。
，
或者总的是
40m
。
。
当
20
对并联时
，
封装
路径的有效
ESR
是
2mo
这个量级
。
与片
上
50nF
的去耦电容器的
ESR
（
5m
。
）
相比
较
，
它的贡献比较小
。
例如
，
图
8-8
所示为从芯片封装的附
加侧看入其余封装
，
通过电路板通孔到印
制板电源和地的腔体间的阻抗曲线
，
假设
腔体被短路在一起时印制板阻抗处于最好
情况
。
若一个
5W
的器件的
Li°°p
=
250pH
、
ESR=5m
。
、
片上电容为
50nF,
则对于小
引线芯片封装的阻抗来说
，
这个阻抗曲线
是典型的
。
8.
4
Bandini
山
从芯片焊盘向外看的阻抗曲线
，
尤其
1E4
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
1E10
频率
(Hz)
图
8-
8
当印制板侧被短路在一起
，
且
ESL
=
250pH
、
ESR
=
5m
。
、
片上电容为
50nF
时
，
封装引线的阻抗曲线
。
使用
Keysight
的
ADS
进行仿真
在低频
，
依赖于封装的另外一边连接的器件
。
当我们取
“
最好的情况
”
时
，
PDN
电路板的阻
抗可能是最低的
（
即完全短路
）
，
从芯片焊盘处可以看见并联的片上去耦电容器和封装引线
电感
，
这两个组合后产生并联谐振
，
它是
PDN
生态学中最重要的特性
。
图
8-9
是芯片视角下的等效电路和由此产生的阻抗曲线
，
在这种情况下
，
片上去耦电
容器的参数为
50nF,
封装引线电感为
250pH
。
图
8-9
从片上电容的焊盘和印制板侧被短路的封装引线电感角度看到的阻抗曲线
。
使用
Keysight
ADS
进行仿真
。
插入的是用于仿真的等效电路模型
片上电容和封装回路电感的并联谐振峰值阻抗是所有器件都存在的属性
。
这个特性一
般在阻抗曲线上是大的峰并会引起大的问题
，
如果存在大的瞬时电路
，
则对应频率分量会
越过这个峰值阻抗
。
在这个例子中
，
并联谐振频率大约为
45MHz
。
第
8
章
PDN
生态学
247
提示
片上电容和封装回路电感的组合产生并联谐振的峰值阻抗
，
这是完整
PDN
生态
学中最重要的特性
，
在
PDN
设计中它是推进原理
。
当开始建立
PDN
生态学时
，
从这里的第一个例子中看到了新的行为
。
片上去耦电容
器和封装回路电感的相互作用产生了新的行为
，
它有重要的影响
。
PDN
阻抗曲线中的特性已经被后来的公司
steve
weir
所命名
。
在
Bandini
Fertilizer
公
司将其命名为
Vernon
、
California
后
，
Steve
Weir
将其命名为
Bandini
山
。
在
DesignCon
会议上
Steve
Weir
是早期参与者
，
在
PDN
设计原理方面发布了很多基
本构架的文章国
〜
7
兀他的幽默感众所周知
，
且他能看到不同领域之间的联系
。
这是他知识
领域中最为深奥的一面
。
他看到了
PDN
阻抗曲线中的并联谐振峰
，
这是
PDN
中最为讨厌的特性
，
并且立即看
到了它与
1984
年在洛杉矶举行的夏季奥运会之间的联系
。
这个故事告诉我们
PDN
峰为什
么会命名为
Bandini
山
。
Bandini
Fertilizer
公司是一个大的肥料生产厂
，
位于洛杉矶的东南方
。
为了证明它是
一个大的供应商
，
它决定利用
1984
年夏季奥运会进行宣传
。
它建立了
100ft(lft
=
0.
3048m)
的肥料山作为商业广告山
，
这几座山作为
3
个不同奥林匹克运动的背景
。
它聘请了专业运动员
，
以阶段模拟使用肥料山的奥林匹克运动
。
有铅球
、
三级跳远和
撑杆跳
，
所有阶段使用
Bandini
山作为目标对象
。
撑杆跳运动员
Dave
Kenworthy
后来向
LA
Time
承认
，
当拍商业广告时
，
他实际上并没有降落在一堆肥料中
，
但是商业广告却给
出这样的感觉
。
不幸的是
，
这个商业运作花费了很多的钱
，
但在增加肥料销售方面并不成功
，
公司立
即停止了运作
。
在夏季的洛杉矶留下了
100ft
高的肥料山
，
超过
100
万的访问者参加了这
个夏季奥林匹克运动会
。
本地的报纸称这个被放弃的肥料山为
Bandini
山
。
从此以后
，
术语
Bandini
山就与高的
肥料堆联系在一起
。
当从芯片的角度来观察
PDN
的阻抗曲线时
，
并联谐振峰值阻抗看上去惊人得像山
。
因为在
PDN
中
，
它扮演的角色就有这种有感觉
，
Steve
Weir
立即看到了联系
，
开玩笑地称
这个阻抗峰为
Bandini
山
，
这是一个恰当的描述
。
Bandini
山的峰值阻抗值与
LC
谐振回路的
q
因子密切相关
，
而这个因子又与两个元素
的
ESR
有关
。
封装引线的
ESR
和片上电容器的
ESR
常常会贡献高的
q
因子
，
具有的谐振
峰值阻抗值接近
1
。
。
Bandini
山的峰值阻抗频率依赖于并联谐振频率
，
我们可得到
：
,Bandini
[MH
z
]
=
—
—
,
,
产竺版
-
__
(8-
20)
27r
yLpkgCorx:
，
Lpkg[nH[CoDc[nF]
在图
8-9
中
，
片上电容器为
250nF,
封装引线电感为
250pH
,
可求得并联谐振频率为:
/
Bandini
[MHz]
=
----------
159MHz
---------
=
-------
159MHz
------
=
45MHz
(8-21)
yL
pkg
tnH]CoDc[nF]
，
0.
25nH
X
50nF
248
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
当观察封装回路电感时
，
Bandini
山总会涉及片上电容器
，
这是所有
PDN
的特性
。
使
用封装的去耦电容器可使峰值缓和下来
，
这是由于减小了回路电感并且提供了阻尼电阻,
但是与片上电容器和封装回路电感相关联的阻抗峰仍旧存在
。
图
8-10
是
BGA
封装芯片中
测量的阻抗曲线的例子
，
并显示了它的
Bandini
山
。
频率
(Hz)
图
8-10
测量测试芯片得到的阻抗曲线
。
在
33MHz
处显示出
Bandini
山
提示
PDB
生态学中
，
Bandini
山是最重要的特性
，
为得到准确的设计信息
，
它也是最
困难的
，
因为它必须来自半导体供应商
。
一般而言
，
估算
Bandini
山的频率是困难的
，
因为它依赖于片上电容和封装回路电感
有多大
，
这些数值非常依赖具体的芯片和具体的封装选择
。
虽然半导体供应商一般知道其器件的
PDN
参数
，
但它们不愿意给出这个信息
。
激
励阻抗峰值而制造
“
病毒
”
的可能性是存在的
，
写出来的微码迅速切换大量的门
，
在
Bandini
山的频率处调制电源
。
这将驱动最大的
PDN
瞬时电流
，
它带有通过
Bandini
山
峰值阻抗的具有危险的一次谐波
。
大的调制电流通过高阻抗后
，
在电源轨上产生大的
电压噪声
。
提示半导体供应商不愿意揭示其器件的脆弱点
。
确定
Bandini
山是困难和费钱的
。
在图
8-10
中
，
当
Bandini
山的频率为
33MHz
时
，
在片上
PDN
(在
33MHz
处有大幅
值)产生瞬时电流
，
它将流过这个峰值阻抗
，
并在芯片电路中产生大的电压
。
图
8-11
是在
测试芯片中
，
测量具有
33MHz
频率的大瞬时电流的电源电压
。
600mV
的峰-峰噪声电压已
经超过任何合理的噪声预期
。
对如何测量这个电压和在第
10
章启用的
PDN
电路参数
，
我
们提供了细节
。