PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第353页
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…
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
338
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
以实现希望的谐振峰值高度和
q
因子
。
我们在节点
3
使用
AC
电流源仿真频域阻抗
，
芯片焊盘具有
1A
的幅度
，
节点
3
的电压
等效于以欧姆为单位的阻抗
。
此外
，
在每个中间节点上的电压测量也表示在图
9-29
中
。
ADS
Frequency
=208.9
kHz
Mag
(Ztarget)
=0.050
m_Z_target
uopou)
&JD
E
S
B p o u )
&D
E
W
60P0U)
oo
B
n
m e w
IE-3
1E5
m2
Frequency
=
10.00
MHz
Mag
(node3)
=0.050
峰值
m3
Frequency
=
100.0MHz
Mag
(node3)
=0.050
峰值
IE-2
ml
Frequency
=
1
.000MHz
Mag
(node3)
=0.051
峰值
1E6
1E7
频率
(
Hz)
1E8
9E8
图
9-29
仿真图
9-28
所示电路中的
3
个节点的阻抗
，
观察由
1A
AC
电流源产生的电压
。
注
意
：
节点
3
上的电压是从芯片焊盘
（
节点
1
）
看到的有效阻抗
。
我们调整电路元件
，
以产生
3
个不同的并联谐振峰
，
每个具有相同的
q
因子和峰值阻抗
来自节点
3
、
芯片焊盘的阻抗
，
展示谐振峰为
1MHz
、
10MHz
和
100MHz,
每个满足
50
m
。
的目标阻抗
。
每种情况下的
q
因子是
4
。
峰
ml
与节点
1
的谐振相关
，
峰
m2
与节点
2
的谐振相关
，
峰
m3
与节点
3
的谐振相关
。
我们使用方波电流激励每个
PDN
峰
。
因为
q
因子是
4,
所以它看起来大约为
4
个周期
实现的最大振铃
。
我们使用不同频率去激励每个峰
。
为保证每个方波一次仅激励一个峰,
我们调整上升时间
，
以减小仿真下个高峰的十次谐波的能量
。
图
9-30
所示为驱动
PDN
的
电流波形和由此在芯片焊盘上产生的电压噪声
。
图
9-30
中的左图是使用
。
〜
1A
的
1MHz
方波所激励的
。
我们使用足够缓慢的上升和
下降时间
，
结果是较高的谐振频率没有被边缘速度所仿真
。
1MHz
的谐振大约在
4.3
；
is
处
达到最大深度
969mV,
这很好地用在与目标阻抗计算的
5%
容差相关联的
950mV
之上
。