PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第320页
304 PD N 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…
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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
：
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
305
7
7
V
tolerance
,PDN
<
-r
--------
；
—
I
transient
Vdd
X
容差
[
transient
(9-4)
例如
，
对于
IV
的
PDN,
如果它可提供最差
1A
且具有宽频带分量的瞬时电流
，
有
5%
的电压容差(即
50mV),
则目标阻抗为
：
Vdd
X
容差
_
1VX5%
/transient
1A
=
50m
。
(9-5)
提示
目标阻抗是起始点对
PDN
在平坦区域定义的限制
，
它基于最差情况下的瞬时
电流
。
为了计算
PDN
平坦区域的目标阻抗
，
我们需要估算最差瞬时电流负载
。
从芯片拉出来的核心
PDN
电流的起始模型会从最小值和最大值之间进行瞬时改变
。
图
9-1
所示为具有瞬时改变的简单核心电流的例子
。
图
9-1
瞬时电流的简单例子
，
显示为跟随峰值或者最大电流流出的静态电流
。
这两个的差
就是瞬时电流
瞬时电流就是芯片在任何可能的工作情况下拉出的最大电流变化
。
这通常发生在芯片
从空闲状态转到重逻辑转移负载的工作情况下
。
这种情况的瞬时电流就是这两种限制的差:
/transient
'
==
'
】
max
/min
(9
-
6)
对于典型的具有时钟频率的情况
，
最小电流是由于静态工作加上泄漏电流和可能由时
钟以及扰动电路产生的
。
峰值电流或最大电流是从
PDN
中拉出来的最大电流
。
9.3
使用平坦阻抗曲线
，
估计计算目标阻抗的瞬时电流
确定目标阻抗的真正的挑战是在给出瞬时电流的具体数值
。
这个信息很少是由半导体
供应商提供的
，
因为它常常依赖于工作的微码和特定的应用
。
常使用的一个术语是轨道最大拉出电流
。
这是决定
VRM
指标的基础
。
如果已知最大
电流
，
那么任务就变为决定多大的最大电流实际上可改变瞬时电流
。
一种极端情况
，
器件的空闲电流非常低
，
它会突然开启拉出最大电流
。
在这种情况
下
，
最大电流就是瞬时电流
。