PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第387页

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 …

100%1 / 453
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
372
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
化电流
，
可由下式计算:
瞬时电流
=
最大动态电流一最小动态电流
计算的默认值是
8A
。
第
10
行
，
结果
，
AC
目标阻抗
。
在控制
PDN
阻抗曲线时
，
这个众所周知的目标阻抗
作为目标
，
我们已经指出很多次
，
它是
：
7
_
Vdd
X
容差
_
AC
/1
q
11
\
z
target-
AC
---------------
j
；
---------------
UU-
11
）
】
transient
在电子数据表格中
，
利用默认值参数计算的目标阻抗是
6.
3m
。
。
这是对
PDN
平坦区
域建立的目标
，
也是为有裕度鲁棒性设计的峰值特性阻抗的目标
。
如前所述
，
为了有充分
鲁棒性的
PDN,
甚至峰值的顶部应该低于这个目标阻抗
。
第
”
行
，
输入
，
DC
电容差
。
这是允许的
DC
偏离电压
，
为
Vdd
的百分比
。
换句话说,
是
DC
IR
压降允许的电压噪声量
。
它可以由
VRM
的敏感线和反馈电路得到部分补偿
。
这
个数值基本上决定了从
VRM
反馈点到芯片焊盘之间允许的
DC
压降
。
并不总是规定这个
数值
，
但是应小于
AC
容差
。
这个例子中的默认值是
1%
。
第
12
行
，
结果
，
DC
目标阻抗
。
.这与
PDN
路径中最大允许的
DC
串联电阻有关
。
我们
使用类似于
AC
目标阻抗那样的方法计算
DC
目标阻抗
，
但是最大消耗电流包含泄漏电流
和流过直流串联电阻的每一个电流
。
Vdd
X
容差
_DC
rget-
DC
-
f
(10-12)
max
利用这个电子数据表格的默认值参数计算的
DC
目标阻抗是
1m
。
。
在电子数据表格部分这的中
，
各个项允许我们计算用于建立
PDN
目标的目标阻抗
。
10.5
第
13
〜
24
行
：
零阶浸入
（
时钟边缘
）
噪声和片上参数
本部分覆盖的信息用于估算单一时钟边缘产生的噪声
。
时钟边缘噪声是在每个上升时
钟边缘对负载电容充电引起的
。
表
10-3
所示为这些项
。
表
10-3
计算时钟边缘噪声的输入参数
13
时钟边缘噪声
（
0
次下垂
）
14
输入
时钟频率
2000
MHz
—
—
15
结果
每周期电荷
4.
5
nCoul/
周期
一
—
16
结果
负载开关电容
4.
5
nF
一
—
17
结果
开关因子
4.
5
%
—
—
18
芯片
一
—
—
一
19
输入
片上电容
100
nF
—
—
20
结果
基于时间常数
250ps
60%
的
R
一芯片
1
1.
5
mQ
—
—
21
结果
基于时间常数
250ps
40%
的
R
一芯片
2
1.0
mH
—
一
22
R_
泄漏
，
假设
L
泄漏
=0
*
Vdd
A
3
一
—
—
一
23
结果
从
Vdd
和
L
泄漏计算的
a
1
—
—
24
结果
Vdd
处的
dVdd/d/_
泄漏
，
R
（
斜率
）
333
—
一