PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第319页
| Chapter 9 | 第 9 章 瞬 时 电 流 和 PDN 电 压噪 声 9. 1 瞬 时 电 流如此 重要的 原 因 在核 电 源 分 配网络 产 生的电 压噪 声强烈地 依 赖 于 流 过 Vdd 和 Vss 轨 之 间的特 定 的瞬 时 电 流 和 PDN 阻 抗 。 如果流 过芯片的 PDN 电 流是常数 ， 则 PDN 设计 中仅 要考虑 PDN 的直 流 电阻 。 这 个 量 定 义为 PDN 中 的 IR 压 降 …
302
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
6
.
电源和地平面的唯一作用是
MLCC
电容器和
BGA
焊盘之间低的分布电感
。
腔体谐振和腔
体电容在
PDN
阻抗中仅发挥极小的作用
。
从芯片的角度看
，
腔体的尺寸对
PDN
的品质是无关的
。
7
.
当为
PDN
选择电容器容量时
，
最重要的设计原理是减小
Bandini
山的峰值阻抗
，
使
其合理地靠近目标阻抗
。
8
.
使用相同容量或
3
个不同容量的
MLCC
电容器
，
对
PDN
阻抗的影响有些不同
。
如
果你不知道片上电容和封装引线电感
，
则优化电容器的容量是困难的
。
9
.
降低
Bandini
山峰一个有效的方法是使印制板面的阻抗看起来像一个电阻器
，
它在
大约
1
〜
50MHz
的频率范围内
，
等于目标阻抗
。
它为
Bandini
山提供了阻尼
。
10
.
频域目标阻抗法
(
FDTIM)
是选择电容器容量以产生一个平坦阻抗曲线的过程
。
如
果你知道
Bandini
山的特性
，
那么就能够选择电容器的容量来降低
Bandini
山
。
如果你不知
道它们
，
则
FDTIM
的结果是最具鲁棒性的
PDN
。
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|
Chapter
9
|
第
9
章
瞬时电流和
PDN
电压噪声
9.
1
瞬时电流如此重要的原因
在核电源分配网络产生的电压噪声强烈地依赖于流过
Vdd
和
Vss
轨之间的特定的瞬时
电流和
PDN
阻抗
。
如果流过芯片的
PDN
电流是常数
，
则
PDN
设计中仅要考虑
PDN
的直
流电阻
。
这个量定义为
PDN
中的
IR
压降
。
因为很多调整器有用于反馈电压源的外部敏感线
，
来调整输出电压
，
敏感线在电气上
粘贴在芯片焊盘的邻近
，
以保证恒定直流电压接近目的电压
。
这允许不断的
PDN
设计尝
试
，
我们不用担心除了电阻以外的任何事情
。
在恒定的
PDN
电流中
，
很少提供用于常规运行微码的高端产品
。
特殊的瞬时电流波
形
、
它的频率分量和当它们伴随着
PDN
阻抗开关通时
，
最终决定了芯片焊盘上的电压噪
声
。
这意味着
：
对
PDN
阻抗的鲁棒性定义指标时
，
若不知道由
PDN
流向规定器件的瞬时
电流的重要特性
，
是不可能的
。
提示
定义具有鲁棒性的
PDN
指标时
，
不知道芯片工作期间最差情况下的瞬时电流详
情
，
是不可能的
。
不知道瞬时电流的特性意味着我们不会得到好于
“
猜测
”
可接
受的
PDN
。
当然
，
通过核或者
I/O
的电流强烈地依赖于芯片的指标性能
，
不同的应用有不同的功
能
，
这依赖瞬时工作的微码
。
检查几种简单假设的情况
，
我们能产生近似的
、
参数化的瞬
时电流模型
，
以用于探索设计空间
，
找到合理的限制和一个
PDN
阻抗指标的基础
。
提示
知道的核瞬时电流指标越多
，
PDN
阻抗和电压轨噪声的指标越准确
。
这意味着
小的设计裕度需求和高的性价比设计
。
芯片电源轨上的电压也复杂地依赖电源瞬时电流流过的负载和
PDN
的阻抗曲线
。
使
这个分析变得复杂的原因是只能在时域描述瞬时电流负载
，
而阻抗曲线是在频域
。
我们使用频域来描述阻抗曲线
，
以分析时域电流激励的电压响应
。
这里必须明确的假
设
：
阻抗曲线的电路响应是线性和时不变的
。
304
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
这些假设不是总能得到满足的
，
特别是在
VRM
和芯片的动态负载中
。
这两个特性结
果会使阻抗曲线
（
特别是阻尼品质
）
，
随着微码在芯片中执行
，
并随着时间而改变
。
正如本
章和第
10
章说明的那样
，
瞬态仿真结果能与在正确假设下基于时不变分析给出的结果有很
好的匹配
。
尤其
，
我们要分析
3
个规定的瞬时电流波形的电压响应
。
每一个瞬时电流波形都对
PDN
频域描述的不同特性敏感
，
这影响了电压响应
。
基于这些行为
，
我们能对
PDN
阻抗
曲线的性能要求进行一些概括
。
这
3
个规定的瞬时电流波形是
：
•
单时钟脉冲
、
脉冲响应
•
阶跃电流响应
•
谐振响应
在每种情况中
，
瞬时电流波形的特性与
PDN
阻抗曲线特性相互作用
，
以产生特别的
电压响应
。
知道任何两个便允许我们估计第三个
。
提示
3
个重要的术语是
：
瞬时电流波形
、
阻抗曲线和电压响应
。
如果知道任何两个瞬
时电流波形的特性
，
你能推出第三个
。
我们能利用这种有价值的观点
，
一代一
代地增加
PDN
设计知识
。
我们能应用和扩展任何关于
PDN
特性和负载电流的信息
，
从一代产品到下一代产品
中学习到知识
。
这些又常是
PDN
设计的起始点
。
本章
，
我们探索来自瞬时电流且影响电压响应的设计特性
。
几个规定情况下的瞬时电
流波形激励容易理解的电压响应
。
这些能使我们解释
PDN
阻抗曲线
（
包括与规定电流模型
的相互作用
）
，
以产生电压响应
。
在它的简单结构中
，
PDN
阻抗曲线是由两个行为组成
：
平坦区域和峰值
。
平坦区域的
阻抗曲线相对频率是常数
。
每个峰依据谐振频率
、
特性阻抗和
g
因子来描述
。
瞬时电流波
形与这两个区域有不同的相互作用
。
分析每个瞬时电流波形的平坦区域和峰的电压响应
，
我们能设置
PDN
阻抗曲线中可
接受特性的极限
。
首先考虑平坦阻抗曲线和具有宽频谱的瞬时电流
。
9.2
平坦阻抗曲线
、
瞬时电流和目标阻抗
如果
PDN
阻抗曲线随着频率是平坦的
，
即它的行为像电阻器
，
那么这个电压噪声对
任何瞬时电流的响应
，
直接与平坦阻抗值有关
，
noise
transient
X
ZpDN
（
9
-
1
）
PDN
的设计目标是保持
PDN
电压噪声低于某个容差噪声限制
，
关系为
：
Vtolerance
=
Vdd
X
容差
（
9-2
）
电压噪声限制的定义为
：
V
noise
=
/transient
X
ZpDN
V%jdX
容差
（
9-3
）
若要实现这个电压噪声限制
，
则需要平坦阻抗低于一个定义为目标阻抗的值口力
：