PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第356页
340 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 m4 Ti me =4.339g s S3_all. .node3=0.969 Val ley m5 Ti me= 5.3321 1s S3_all ..node3=0.948 VaH ey m6 Tim e=5.43211s S3_all ..node3=0.930 Min 时 间 （ g s ） ADS 1.5 1.0 0.5 0.0 — 0…
第
9
章
瞬时电流和
PDN
电压噪声
339
m9
Time=5.622us
S3
100MHz..node3=0.962
Mih
___
______
m8
Time=
5.332ps
S3
10MHz..node3=0.967
Min
m7
Time=
4.339u,s
S3
lMHz..node3=0.969
Min
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
ADS
1.5
1.0
0.5
0.0
ads
1.03
1.02
1.01
1.00
0.99
-
0.98
0.97
0.96
图
9-30
使用不同频率方波和每个方波的定时序列激励每个
PDN
峰
。
注意
：
都使用相同的
q
因子
4,
大约取
4
周
，
电压达到稳态(即最大值)
ads
1.5
1.0
0.5
0.0
-0.5
ADS
1.03
-T-
1.02-
1.01
-
1.00--
0.99-
0.98
-
0.97-
0.96
4-
0
时间
(
ns
)
时间
(
ns
)
(V)
n
方波电流为了不重叠而被定时
，
为了瞬时电流用于计算目标阻抗
，
假设电流范围为
0
〜
1A
之间
。
在这个波形情况下
，
每个方波序列与其他的是隔离开的
。
我们观察每一组方
波的电压响应以到达相同的深度
。
图
9-30
的中间的图显示
，
开始大约
5ks
后出现
10
MHz
的方波电流
。
运行
4
个周期到
达第二谐振的最大电压波形
，
在
5.33
右处电压下垂到
967mV,
这比第一个谐振最小值稍
低
。
这可能是因为
10MHz
方波电流已经激励出
1MHz
和
10MHz
两个峰
。
由于
10MHz
方
波的上升时间受到限制
，
所以
100MHz
峰没有被激励起来
。
然后在大约
5.4*
时
，
开始出现
100MHz
的方波电流
，
最深凹坑在
5.62*
时出现,
是
962mV
。
所有
3
个谐振峰值被
100MHz
的电流波形同时激励
，
至此出现最深的凹坑
，
但
是仍旧在
Vdd
—
5%(950mV)
之上
。
提示
当应用恒定频率的方波电流并激励一个单独峰时
，
我们看到
：
峰值电压响应能
很好地满足与目标阻抗指标相关的士
5%
的容差
。
目标阻抗是预期
PDN
噪声的
鲁棒性指示器
。
可是
，
如果我们仔细地安排这些相同的方波电流序列
，
则能建立最大电压响应超过
±5%
容差的恶劣波
。
为了产生恶劣波
，
我们依次激励每个阻抗峰
。
在低频谐振峰值电压达到时
，
激励下一
个谐振峰
。
在第一个和第二个谐振峰被激励后
，
并在其他两个消失前激励第三个谐振
。
用
这种方法
，
仔细定时的关于不同频率方波电流的恶劣波建立了起来
。
图
9-31
所示为这种仔
细控制的方波序列
，
这是从芯片焊盘上产生的电压响应
。
340
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
m4
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Valley
m5
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Min
时间
（
gs
）
ADS
1.5
1.0
0.5
0.0
—
0.5
3.8
4.0
4.2
4.4
4.6
4.8
5.0
5.2
5.4
5.6
5.8
时间
（
国
）
图
9-31
顶部
：
建立第一个
，
第二个
，
然后第三个谐振
，
以在芯片焊盘上产生电压响应
。
注意
：
在这种情况下
，
最大电压响应超过用于目标阻抗计算的士
5%
的容差
，
即使
每个峰都低于目标阻抗
。
底部
：
仔细控制的方波电流序列
，
依次驱动
3
个谐振峰
中的每一个使它们到达最大电压
当所有
3
个谐振被图
9-31
所示的定时序列准确地激励时
，
恶劣波的病态情况会发生
。
图上所示的
1MHz
、
10MHz
和
100MHz
的方波序列现在被联系在一起
，
依次激励每个峰
。
正如电流波形所示
，
负载电流从未超过
1A
且未小于
0A
。
我们增大水平轴以展示最后的
1MHz
脉冲
。
这个
10MHz
脉冲开始在
5
岬
，
100MHz
的开始在
5
・
42
。
我们依次选择对每
个谐振有最大影响的定时
，
然后在前一个消失之前继续下一个谐振
。
上面的数字部分显示的是
PDN
谐振
。
标记
M4
显示单独
1MHz
谐振时预期的
969mV
o
标记
M5
显示的是
948
mV,
它在正确的时刻
（
1MHz
的相位
）
，
在
1MHz
波形上混合了
第
9
章瞬时电流和
PDN
电压噪声
341
10MHz
波形
。
这是我们第一次看到电压波形下降到
950mV
以下
。
当
1MHz
波形混合
10MHz
波形后达到最大
，
然后
100MHz
时的电流方波开始出现负载
。
电压降到
930mV,
低于标称电压
Vdd
的
7%,
这超过了用于目标阻抗计算的
5%
的容差
。
这个例子证明了
：
在整个频率范围内
，
PDN
满足目标阻抗
，
电压容差是能够被超过
的
。
关键是谐振时存储的能量
，
让它们连续地振铃以激励新的谐振峰
。
电抗元件本质上对
前面的事件有记忆
，
在事件过去长时间后
，
仍有能力传递能量返回人系统
。
高
q
因子的场合
，
情况更加差
。
在整个例子中
，
q
因子仅为
4,
两个峰的激励很难超过
电压的容差
，
在完美定时中它耗费
3
个谐振峰
，
容差从
5%
恶化到
7%
。
如果
q
因子是
10
或者更大
，
产生的电压振荡远超过容差限制
。
如果峰值阻抗也超过目
标阻抗
，
则恶劣波甚至会更加高
。
实际上
，
给定码以完整地仿真单个谐振峰是困难的
，
仿真两个谐振峰是非常困难的
。
当第一个谐振有完美的相位时
，
对第二个谐振峰的仿真更是如此
。
对前两个谐振有完美相
位的第三个谐振峰的码激励概率是极低的
。
提示
分析聚焦于减小
PDN
下垂
。
使用有减小
PDN
电压尖刺的波形
，
我们能进行类
似的研究
。
结论是相同的
：
尽可能地保持阻抗曲线平坦
，
通过减小
DC
IR
压降
或者使用调整器反馈位置来使电压靠近中心
。
正如龙卷风似乎被停车场吸引一样
，
微码环似乎吸引
PDN
中的并联谐振峰
。
可是,
不像恶劣波事件发生的那样
，
它具有足够的产品和不同的应用
。
如果有多个高
q
因子的并
联谐振峰
，
即使从来不超过目标阻抗
，
也可能发生恶劣波事件
。
提示
非常不希望
，
但仍可能发生恶劣波
，
这就是在好的实践中要减小所有
PDN
谐振
中
q
因子的另外一个理由
。
从经济角度指出
：
存在
Bandini
山
，
但是你应该设计
其余的
PDN
以消除阻抗峰
，
特别是那些高
g
因子的
。
9.
16
存在恶劣波时的鲁棒性设计策略
恶劣波有
3
个根源性的
PDN
特征
：
1.
一个
PDN
具有多个可比较的阻抗峰值
，
它们等于或者稍微高于目标阻抗
。
2.
一个
PDN
具有多个高
q
因子的峰
。
3.
一个仔细安排的瞬时电流序列能依次激励每个峰
。
可是
，
不像恶劣波那样
，
好的
PDN
能控制它
。
关于电流波形
，
我们不能做什么
。
总
是有一些消费者在一些应用中
，
能产生正确的方波频率和最大的电流幅度
，
并且以准确的
序列和准确的定时驱动恶劣波
。
在前面的讨论中可以看到
：
如果我们控制
PDN,
对目标阻抗仅有一个占据统治地位的
并联谐振峰值阻抗
，
则没有存在恶劣波的可能性
，
最大瞬时电压总在容差限制内
。
如果目标阻抗存在多个可相互比较的阻抗峰
，
它们的
q
因子越低
，
每个峰的振铃持续