PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第386页
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…
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
第
10
章
PDN
设计的实用方法
371
10.4
第
1
〜
12
行
：
PND
输入电压
、
电流和目标阻抗参数
电子数据表格的第一部分是建立重要的输入项
，
它们定义
PDN
电源
。
表
10-2
显示了
这十二行
。
表
10
・
2
建立
PDN
性能参数
1
类型
PDN
参数
数值
单位
2
输入
电压
1.
00
V
3
输入
最大消耗电流
10.0
A
4
输入
最小消耗电流
（
有时钟
）
2.
0
A
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
7
结果
最小动态电流
1.
0
A
8
输入
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
mO
11
输入
DC
容差
1.
00
%
12
结果
DC
目标阻抗
1.00
mQ
第
2
行
，
输入
，
电压
。
这是
Vdd
电压
，
默认值是
IV
。
第
3
行
，
输入
，
最大消耗电流
。
这是当最大数目的门被打开时
，
PDN
电源消耗的最大
电流
。
它由泄漏电流
、
时钟网络的电流和门打开时的额外电流组成
。
默认值是
10A
。
这是
运行一段代码从电源拉出来的平均时间电流
。
第
4
行
，
输入
，
最小消耗电流
（
有时钟
）
。
当时钟网络刚刚打开时的消耗电流
。
默认值
是
2A
。
第
5
行
，
输入
，
泄漏电流
（
没有时钟
）
。
这是
Vdd
和
Vss
之间的泄漏电流
，
依赖于技术
节点
、
栅极氧化层厚度
、
阈值电压
、
Vdd
设置和芯片上门的总数
。
因为大部分的泄漏电流是
通过薄氧化层的隧道阈值下的电流
、
泄漏电流来贯通的
，
它与
K
h
之间是非线性的
，
是指
数关系
，
又常常是
Vdd
的三次方
。
默认值为
1A
。
第
6
行
，
结果
，
最大动态电流
。
这是不包括泄漏电流的最大电流
。
这也是所有负载电
容在每个充放电周期内和所有门的每个周期上流过的电源平均电流
。
可用下式计算
：
最大动态电流
=
最大消耗电流一泄漏电流
默认的计算值是
9A
。
第
7
行
，
结果
，
最小动态电流
。
动态电流是在每个周期内对于负载电容充放电消耗的
平均电流
。
最小电流是仅打开时钟分配元件的电流
，
它是
：
最小动态电流
=
消耗在时钟的最小电流一泄漏电流
在这个例子中默认值是
1A
。
第
8
行
，
输入
，
AC
容差
。
这是在
Vdd
上能容忍的双边带噪声的幅度
。
这是高或低于标
秒量的幅度
，
不是峰-峰噪声
。
默认值是
5%,
这意味着执行的是士
5%
的容差
。
第
9
行
，
结果
，
瞬时电流
。
当微码改变大多数静态开关时这是我们希望看到的峰-峰变