PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第352页

336 PD N 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 PD N 。 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…

100%1 / 453
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
I
f
T
j
j
~
II
r-
]
1
I
T
I
r
I
1
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
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
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
337
算的容差
。
这种非常特殊的情况称为恶劣波效应
。
它由
Xiang
Hu
在他的
PhD
论文和有关
文献
［
7-9
］
中第一次介绍
。
为了说明这个现象
，
我们设计了具有
3
个并联谐振的简单
PDN,
每一个有相同的
q
因
子和峰值阻抗
，
但是有非常不同的自谐振频率
。
我们使用在
9
・
14
节讨论过的方程来执行这
个工作
。
图
9-28
所示为这种
PDN
的电路
。
图
9-28
人为仔细设计的
PDN
电路
，
在不同频率上有
3
个阻抗峰
，
3
个峰值阻抗具有可比性
L
L1
L=L1
R=
L
L2
Lr=L2
R=
L
L3
L=L3
R=
1
[R
f
R
4
f
R
[
r
>
R1
<
J
R2
>R3
<
>
R4
<
>R=R0
>R=R1
<
:
R=R2
<
>
R=R3
V_DC
Nodel
Node2
Node3
_
1
C
c
c
I_AC
十
_SRC1
=
Vdc=1.0V
:
Cl
；
C=C1
1
_
C2
[
C
=
C2
:
]C3
A
[
c=c3
y
y
Lac=Polar(l,0)A
Frequency=Frequency
电路元件值基于要控制的相同的
q
因子和峰值阻抗
，
但是有不同的谐振频率
。
表
9-4
总结了最终的电路元件值
。
RO
、
RI
、
R2
和
R3
要稍微调整
，
使峰值为
50m
。
。
表
9-4
定义
3
个阻抗峰值的参数
恶劣波仿真元件参数
瞬时电流
1
A
电压
1
V
容差
5
%
Z_target
0.
050
Q
q
因子
4
第一个峰 第二个峰
第三个峰
频率
1
10
100
MHz
L_loop
2.
0
0.
2
0.
02
nH
C_loop
11459
1146
127
nF
Zo
0.013
0.013
0.013
n
C1,C
2
,C
3
11459
1273.
2
143.
24
nF
R_estimate
1.563
m
。
R1,R2,R3
1.
531
1.
194
1.219
m
。
RO
1.
813
这个拓扑能够使每个环路有相同的电阻
，
使它更容易控制
q
因子
。
这个拓扑使我们能
选择回路电感和环路电容
，
以使阻抗峰在
1MHz
10MHz
和
100MHz
。
我们选择电感和电阻