PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第385页
第 10 章 PDN 设计的 实 用 方法 369 （ 续 ） 类 型 PDN 参 数 数 值 单位 8 结 果 AC 容差 5. 00 % — — 9 结 果 瞬 时 电 流 8. 0 A — — 10 结 果 AC 目 标 阻 抗 6. 3 mQ — — 11 输 入 DC 容差 1.00 % 一 — 12 结 果 DC 目 标 阻 抗 1.00 mQ — — 13 时 钟边缘 噪 声 （ 0 次 下 垂 ） — 一 — — 14 …
368
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
2
.
电源和地路径靠近在一起
。
3
.
导体做得宽
。
当实现
PDN
的电源-地相互连接时
，
作为实践基础
，
这些设计目标会转变为
4
个重要
的设计指导方针
：
1
.
所有通孔进入焊盘来对印制板附加电容器
，
或通孔尽可能靠近焊盘
。
2
.
为减小分布电感
，
在邻近电源和地平面之间使用薄介质
。
当使用薄介质时
，
电容器
的封装是接近二阶的
。
3
.
在分层中
，
安排邻近电源和地平面尽可能地靠近安装元件的表面
。
4
.
在电源-地的相互连接中
，
尽可能地使用多的并行途径
。
对于电源-地的相互连接
，
这些是最重要的设计指导方针
，
会产生鲁棒性的
PDN
。
10.3
为探索设计空间引入的电子数据表格
探索设计空间的第一步是利用工程判断
、
经验规则和作简化近似
，
正如前节概述的那
样
。
下一个层面的分析是使用电子数据表格
，
探索所有设计参数的互连程度
。
通常的情况是
，
在一个面上改善的性能意味着另一层面的性能降低或者增加价格
。
这
个常常被称为
“
非故意结果定理
”
，
或者
“
打雕鼠
”
问题
。
电子数据表格
，
对于探索设计空
间和处理平衡设计折中的重要任务是有用的工具
。
在本节
，
我们介绍电子数据表格和几个研究案例
。
然后我们推进更准确的仿真
。
接着
将其与电路仿真进行比较
，
说明电子数据表格的准确性
，
并比较仿真预测与测量结果
。
提示
遵循一般设计指导方针
、
使用电子数据表格优化参数
、
在电路仿真中最终核实
性能
，
这
3
种途径的组合是强有力的解决问题方法
，
能很快地和有效地集中于
性价比和鲁棒性
PDN
问题的解决
。
我们能把
PDN
设计分离为输入设计参数和来源于分析的预测性能指标
，
这适合电子
数据表格分析口兀我们已经结合重要的输入参数和在本书中介绍的
PDN
关系
，
构成了一
个简单的电子数据表格来估算性能指标
。
表
10-1
所示为完整的电子数据表格
。
它能最好地
使用分选
、
规划和优化的
PDN
设计
。
从测量数据来看什么样的
PDN
数据是必需的和建立
模型-硬件的相关性这种反向工作是非常有用的
。
它不是证实工具
，
也不是以任何艺术品或
者设计数据为基础的
。
表以电子数据表格显示的完整
PDN
响应计算器
，
它包含顶层输入部分
、
谐振环和提取的指标
1
类型
PDN
参数
数值
单位
2
输入
电压
1.00
V
—
一
3
输入
最大消耗电流
10.0
A
一
—
4
输入
最小消耗电流
（
有时钟
）
2.0
A
一
—
5
输入
泄漏电流
（
没有时钟
）
1.
0
A
—
—
6
结果
最大动态电流
9.0
A
—
一
7
结果
最小动态电流
1.0
A
—
—
第
10
章
PDN
设计的实用方法
369
（
续
）
类型
PDN
参数
数值
单位
8
结果
AC
容差
5.
00
%
— —
9
结果
瞬时电流
8.
0
A
—
—
10
结果
AC
目标阻抗
6.
3
mQ
—
—
11
输入
DC
容差
1.00
%
一
—
12
结果
DC
目标阻抗
1.00
mQ
—
—
13
时钟边缘噪声
（
0
次下垂
）
—
一
—
—
14
输入
时钟频率
2
000
MHz
—
—
15
结果
每周期电荷
4.
5
nCoul/
周期
—
—
16
结果
负载开关电容
4.
5
nF
— —
17
结果
开关因子
4.5
%
—
—
18
芯片
—
—
—
一
19
输入
片上电容
100
nF
—
—
20
结果
基于时间常数
250ps
60%
的
R_
芯片
1
1.5
mQ
—
—
21
结果
基于时间常数
250ps
40%
的
R_
芯片
2
1.0
m
。
—
—
22
R
一泄
漏假设
L
泄漏
*
Vdd
A
3
—
—
—
—
23
结果
利用
Vdd
和匚泄漏计算的
。
1
—
—
—
24
结果
Vdd
处的
dVdd/dI_
泄漏,
R
（
斜率
）
333
mQ
—
25
类型
峰值分析
环路
1
（
峰
1
）
环路
2
（
峰
2
）
环路
3
（
峰
3
）
单位
26
提取
封装串联电感
29
—
pH
27
提取
在电源电流路径中的
R_
封装
0.
403
一
—
mQ
28
提取
在谐振频率
（
额外
）
处的交流的
R
一封装
0.430
—
一
m
。
29
提取
印制板串联电感或
VRM
19
96
10
000
pH
30
提取
在电源电流路径处的直流的
R
0.
043
0.
97
0.
2
mH
31
提取
在谐振频率
（
额外
）
处的交流的
R_
印制板
0.
060
0.
0
—
m
。
32
输入
板上电容器的数目
10
6
—
一
33
分立电容器参数
（
部分环路
）
—
一
—
一
34
输入
电容
1.0
22
—
m
F
35
结果
ESR
10.
3
4.
3
—
m
。
36
结果
与电容体积有关的部分电感
600
1200
—
pH
37
电容器的安装特性
（
部分环路
）
—
—
—
—
38
提取
来自通孔的安装电阻
0.
778
3.892
—
m
。
39
输入
水平焊盘或迹线电感
1
1
一
pH
40
提取
通孔的垂直电感
372
1861
—
pH
41
并联安装的电容器环路特性
—
—
— —
42
结果
电容
10
000
132
000
—
nF
43
结果
电阻
0.
6
1.4
—
m
。
44
结果
电感
84
510
—
pH
45
结果
谐振环路电容
99.
0
9382
142
100
nF
46
结果
谐振环路电阻
（
排除
ODC
的
ESR
）
1.
584
2.
954
1.573
m
。
47
结果
谐振回路电感
132
690
10
510
pH
48
结果
谐振时的电抗
Z
。
36
8.6
8.
6
mQ
49
结果
q
因子
（
与贡献在一起
）
2.
5
2.
4
4.0
—
370
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
（
续
）
类型
峰值分析
环路
1
（
峰
1
）
环路
2
（
峰
2
）
环路
3
（
峰
3
）
单位
50
结果
泄漏引起的
q
因子
9.
1
39
39
一
51
结果
负载损耗的
q
因子
5.5
23.3
23.3
—
52
结果
片上电容的
ESR
的
q
因子
15
—
—
—
53
结果
环路电阻的
q
因子
（
排除
ODC
的
ESR
）
24
2.
9
5.5
—
54
PDN
指标
—
—
一
—
55
FD
结果
峰值频率
44.
1
1.98
0.
130
MHz
56
FD
结果
峰值阻抗
91
21
34
mQ
57
FD
结果
PDN
比
（
Z
与目标阻抗之比
）
14
3.
3
5.5
—
58
TD
结果
时钟边缘下垂
（
脉冲响应
）
45
—
一
mV
59
TD
结果
阶跃响应下垂
292
69
69
mV
60
TD
结果
谐振响应
（
峰-峰
）
922
211
348
mV
61
DC
结果
从
VRM
到电路的
DC
电阻
3.
1
—
一
mQ
62
DC
结果
最大电流下的
DC
功率损耗
312
—
—
mW
对于任何
PDN
来说
，
最重要的特性是峰值阻抗
、
它们的谐振频率
、
特性阻抗和
q
因
子
。
利用
PDN
电流负载和时钟频率的输入信息
，
我们对
3
种主要瞬时电流波形的响应计算
预期的电压噪声
：
脉冲
、
阶跃和谐振激励
。
峰值的频域指标和最大电压噪声的时域指标是我们判断
PDN
设计究竟是否可接受的基础
。
我们设计这个电子数据表格以分析具有
3
个明显峰的
PDN,
3
个峰在频率上大致隔开
十倍频程
。
它们是由环路中占据优势的元素产生的
，
这些元素为
：
•
片上电容
，
封装引线电感和
MLCC
电感
•
MLCC
电容和大容量电容器的回路电感
•
大容量电容器和
VRM
这些对设计参数的简单分析估算被转换成为等效电路元素和性能指标
。
当与更详细的
电路仿真进行比较时
，
惊讶的是预测的噪声结果是与之如此接近
。
这是简单近似电源以
“
快速得到可接受的答案
”
的另外一个例子
。
提示
任何分析的目的都是尽可能快地给我们可接受的答案
。
这就是在这里描述
PDN
响
应计算器电子数据表格的目的
。
电子数据表格并不意味着它是
PDN
的最终设计工
具
。
相反
，
它意味着作为起始点
，
在给出初始参数和限制后
，
快速估算一些性能
指标
。
它识别最重要的设计参数和我们可能会忽略的同样重要的重要参数
。
电子数据表格有
6
个部分
：
•
PDN
电压
、
电流和计算的目标阻抗
•
第
0
个凹坑时钟边缘噪声特性
•
片上特性
•
对
3
个不同峰中每一个峰的分析
•
频域和时域的性能指标
•计算垂直和水平结构的相互连接的回路电感