PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第351页

第 9 章瞬 时 电 流 和 PDN 电 压噪 声 335 它 们 有 相 同 的谐 振 频率 。 另 外 一 种观 察 的 方法是 Q 因子 越高 ， 对 过 去发 生的 事件 有 越长的 “ 记 忆时 间 下 面 ， 从 PDN 节 点 1 中 拉 出了 纯的 正弦波 电 流 ， 这 与 1A 的阶跃 是 一 致的 ， 正弦波是 1A 的 峰 - 峰 值 ， 产 生 0.5A 的 振幅 ， 0.5A 的 DC 偏 离 。 这里 最大…

100%1 / 453
334
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
有相同的峰值阻抗
，
即使并联谐振的
q
因子和尖锐程度非常不同
。
首先我们看阶跃电流的电压响应
，
它与峰的特性阻抗有关
。
q
因子越高
，
峰有越低的特性
阻抗和较小的电压响应
。
当然
，
这是违反直觉的
，
越高的
Q
因子意味着振铃持续的时间越长
。
提示
我们特别控制这些
PDN
以便它们有相同的谐振频率和阻抗峰
，
这是靠操纵电
感
、
电容和
q
因子来实现的
。
谐振响应是相同的
，
即使阶跃响应是戏剧性的不
同
。
这是违反直觉的
，
但却说明了特性阻抗和
g
因子的作用地位
。
电容器两端加上
1A
的瞬时阶跃电流便可仿真芯片焊盘上的电压噪声
。
图
9-25
所示为
4
种阻抗曲线中每一种的电压响应
。
0
1
2
3
4
5
6
时间
(
ns
)
ADS
1.06
-
1.04-
1.02-
1.00-
0.98-
0.96-
0.94-
7
8
9
2
.O
.8
.6
4
2
.O
2
1
1
O
O
O
O
O
O
S
-
AD
(
V
)
蜓
姆
图
9-25
具有
1A
瞬时阶跃电流的
4
种
PDN
阻抗曲线中的每一种仿真的电压响应
。
电压噪声很
好地包含在由水平点线表示的士
5%
电压容差之内
正如预期的那样
，
50m
。
电阻器的
PDN
有
50mV
的压降
。
它消耗功率
，
有
DC
IR
压
降
，
有平坦的频率响应
。
电压响应就是恒定的
DC
压降
。
q
因子
=2
的
PDN
有
24mV
的电压降
，
因为它的特性阻抗是
l/2X50m
。
。
它指出了一
些
DC
电压的损耗
，
因为它的路径中有
13m
。
的电阻
。
较高
q
因子的
PDN
表示较小的
DC
IR
压降
，
因为环路电阻较低
。
保持阻抗峰值低于计算的目标阻抗这个要求
，
对于阶跃电流
这种情况
，
单一谐振峰和高
q
因子是保守的
。
仿真指出了一般的趋势
：
越低的特性阻抗
PDN
（
有较高的
q
因子
）
，
在谐振时有越低的
电抗
，
由相同电流产生的峰值电压噪声越小
。
这个行为是违反直觉的
，
因为我们用操纵阻
抗峰的尖锐度来使峰值阻抗是相同的
。
提示当阻抗峰被控制有相同的高度但不同的
q
因子时
，
正如预期的那样
，
阶跃电流
负载的最大下垂随着
q
因子的增加而下降
。
下垂响应正比于谐振的特性阻抗
事实上
，
在恒定峰值阻抗下
，
谐振电抗越低
，
阶跃瞬时电流下的电压噪声越小
。
随着
q
因子的增加
，
振铃持续更多的周期
。
在阻尼正弦波中
，
q
因子是可见周内的好的评估
。
q
因子为
2,
大约有
2
个凹坑
；
q
因子为
5,
大约有
5
个凹坑
；
q
因子为
8,
大约有
8
个凹坑,
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
335
它们有相同的谐振频率
。
另外一种观察的方法是
Q
因子越高
，
对过去发生的事件有越长的
“
记忆时间
下面
，
从
PDN
节点
1
中拉出了纯的正弦波电流
，
这与
1A
的阶跃是一致的
，
正弦波是
1A
的峰-峰值
，
产生
0.5A
的振幅
，
0.5A
的
DC
偏离
。
这里最大为
1A,
最小为
0A,
类似
于
1A
的阶跃电流
。
图
9-26
是仿真的
PDN
电压
，
是对正弦波负载电流的响应
。
XDS
(A)
田
林
S
I
联
沪
A
1.06
01
23456789
10
01
23456789
10
时间
（
ns
）
时间
（
ns
）
图
9-26
顶部
：
每个
PDN
阻抗曲线的正弦波电流激励的噪声电压
。
底部
：
显示有
1A
峰-峰值
的正弦波电流曲线
正如预期的那样
，
具有平坦频率响应的电阻器
PDN
的波形在
0.95
〜
1.0V
之间
。
计算
目标阻抗有
IV
的
5%
（
即
50mV
）
的压降
，
仿真结果是相同的
。
平坦
50m
。
PDN
曲线的阶跃
响应和正弦响应都有
50mV
压降
。
相比之下
，
具有
50m
。
阻抗峰值的
PDN
的行为是不同的
。
因为它有小的直流电阻
，
所以
曲线集中归一化为
IV
的
PDN
电压值
，
幅度在几个周期内建立
。
q
因子为
2
的
PDN,
建立最
大值需要两个周期
，
q
因子为
5
的
PDN
需要
5
周
，
q
因子为
8
的
PDN
建立最大值需要
8
周
。
回忆较高
q
因子
PDN
的初始的凹坑不是那么深
，
但是振铃持续时间比较长
。
当使用重复波
形仿真时
，
在较长时间能在凹坑上面产生重叠凹坑
，
峰值上面重叠峰值
。
如果正弦激励的时间
足够的长
，
则所有
50mH
的谐振峰最终成为
50mV
的峰-峰噪声
，
因为它们不必考虑
q
因子
。
q
因子为
2
的
PDN
的目标阻抗超过
6mV,
所以峰-峰电压摆动大约为
56mV,
比其他
PDN
满足
50mV
峰一峰电压波形要稍大一些
。
观察具有低
DC
电阻的
PDN,
它主要的时间花费在回到中心的正常电压上
。
当涉及电
抗元件时
，
正的负载电流
（
意味着负载仅拉出电流
，
没有回到
PDN
的电流
）
引起与
PDN
标
称电压有关的电压凹坑和峰值
，
在谐振频率时尤其如此
。
这是单边电流仿真双边电压响应
的另外一个清晰的例子
。
提示如果谐振峰能准确地满足目标阻抗
，
有峰-峰值等于完整瞬时电流的正弦波电流
的
PDN
进行仿真
，
峰-峰电压等于用于目标阻抗计算的容差电压
（
仅为
50mV
）
,
与峰的尖锐度无关
。
因子
2
是安全裕度
，
因为峰-峰电压集中在高
q
因子的
PDN
上
。
如果
PDN
有低的
DCIR
压降
，
电压波形集中在标称电压上
。
336
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
本节的最后一个例子
，
我们使用方波电流去仿真
PDN
。
这时负载拉出来的电流范围在
0
〜
1A
之间
。
图
9-27
所示为方波激励下的电压响应
。
50m
。
的
PDN
有
50mV
的电压响应,
与预期电压在
950mV
〜
IV
之间是一致的
。
因为有平坦的频率响应
，
所以所有频率的方波
行为与电阻
PDN
相同
。
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
时间
(ns)
1.06
1.04
1.02
1.00
0.98
0.96
0.94
AD
(
>
)
出
超
后
1
岐 护
ADS
1.5
-
<
10
-
二
0.5
-
§
0.0-
-
0.5
-
I
I
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II
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1
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3
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10
时间
(
ns)
图
9-27
顶部
：
由方波电流激励的每个
PDN
的电压响应
。
底部
：
每个
PDN
阻抗拉出的方波电流
若
q
因子为
2
、
5
和
8
的
PDN,
则对方波的响应类似于它们对正弦波的响应
。
它们近
似地在
2
、
5
和
8
个周期上建立起最大峰-峰值
。
较高
g
因子的波形集中在标称电压的附近
。
越低的
q
因子显示越低的平均电压
，
因为电流回径的
DC
IR
压降
。
当
PDN
用方波仿真时
，
较高
q
因子
PDN
的峰-峰电压
4
/冗倍于零
q
因子(只有
50
。
电
阻)的
PDN
。
正如前面讨论的那样
，
阻抗峰值是从方波滤出来的一次谐波峰-峰幅度为
：
4
4
Vpk-pk
=
—
X
Zpeak
X
/transient
=
—
X
50mQ
X
1A
=
64m
V
(9-
43)
7t
7t
提示在阻抗曲线中具有单个峰
，
使用基于最大瞬时电流和电压噪声容差的目标阻抗,
对于计算的瞬态波形是一种好的设计实践
。
当
PDN
由最大电流谐振方波驱动
时
，
它提供一点儿裕度
。
平坦的电阻阻抗曲线占用整个电压容差
。
具有电抗峰的阻抗曲线允许噪声电压再次集
中在标称电压周围
，
特别是具有高
q
因子时
，
电压下垂没有那么严重
。
电抗性
PDN
的电压
噪声仅占据部分容差
。
当在
PDN
中有多个几乎相等的峰值时
，
情况就不是如此了
，
正如我们在下节要指出的
。
9.
15
恶劣波
通过仿真阶跃
、
正弦和方波瞬时电流仿真指出
，
满足目标阻抗的
PDN,
其电压
“
偏移
”
不会超过
±5%
的容差
。
若
PDN
系统中仅有一个主要的峰
，
情况确实如此
。
保持阻抗峰值
低于目标阻抗是控制电压噪声的好方法
。
可是
，
如果有几个类似高度的主要峰和高的
g
因子
，
则存在着可能性
，
即一个峰值频
率的电流能量连续同时激励其他的峰值频率
。
一个谐振波重叠下一个谐振波
，
如此循环,
结果导致电压噪声成为混合波形
，
超过任何单一谐振的峰值电压
，
并超过用于目标阻抗计