PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第398页
382 PDN 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 V_DC tJ- SRCl 亍 Vdc=Vdd <7>1 59 6P H R=0.2mQ -- -- -- -- i [ w L IProbe 《 4 LVR M £=1 0nH L 1 Probe L z 1 1 L_p lane _p lane Zbrdvi as L= 19pH R=0.97mQ R=0 .043mQ p ulk …
第
10
章
PDN
设计的实用方法
381
表
10
・
5
谐振计算器
（
PRC
）
中每一个峰的
AL
。
元件总结
28
水平
（
平面
）
PCB
封装
单位
29
电源平面
形状
30
介质厚度
0.
0762
0.
035
mm
31
导体厚度
0.
036
0.
036
mm
32
电导率
5.
80E+007
5.
80E+007
1/
(Q
•
m)
33
100MHz
时的趋肤深度
0.
0066
0.
0066
mm
34
每平方回路电感
96
44
pH
35
每平方直流环路电阻
0.
970
0.
970
m
。
36
100MHz
时每平方环路电阻
5.218
5.218
m
。
37
总计
PCB
封装
单位
38
垂直电感
19
26.
7
pH
39
垂直直流电阻
0.
043
0.
349
mfl
40
谐振时的垂直电阻
0.
103
0.
641
mH
41
平方数
1
1
—
42
路径数量
—
18
—
43
水平电感
96
2
pH
44
水平直流电阻
0.
970
0.
054
m
。
45
趋肤效应设置频率
3.45
3.45
MHz
46
谐振时的水平电阻
0.
970
0.
192
m
。
47
总的路径电感
115
29
pH
48
总的路径直流电阻
1.013
0.
403
mH
49
谐振时的路径电阻
1.
073
0.
833
mfl
50
第一个峰的谐振频率
44.
1
—
MHz
51
第二个峰的谐振频率
2.0
一
MHz
10.8
具有
3
个环路的
PDN
谐振计算器电子数据表
我们设计这个电子数据表以分析在阻抗曲线上面具有
3
个不同峰值的
PDN
。
这通常发
生在有大电感隔开相互连接元素的情况下
。
较高的电感和芯片上进一步增加的较大的电容
会使环路上具有较低的并联谐振频率
。
当然
，
当
PDN
的阻抗曲线为更加复杂的情况时,
不能再使用这个简单的电子数据表
，
需要完整电路的仿真
。
这种简化提供实现
PDN
优化
方向的重要洞察力
。
特别当重要的阻抗峰是
Bandini
山并联谐振的情况时
，
这是最高的频率
、
最高的阻抗
峰值和使它的峰低于目标阻抗最困难的情况
。
进一步分析它的基本限制和影响性能指标的
设计判决
，
也许在
PDN
设计中它是更加重要的方面
，
这就是
PRC
电子数据表的重要贡献
。
提示
PRC
电子数据表很适用分析
Bandini
山的特征
。
图
10-8
所示的电路描述的是
3
个峰值
，
与每个峰相联系的环路
。
382
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
V_DC
tJ-SRCl
亍
Vdc=Vdd
<7>1
596PH
R=0.2mQ
--------
i
[
w
L
IProbe
《
4
LVRM
£=10nH
L
1
Probe
L
z
1
1
L_plane
_plane
Zbrdvias
L=19pH
R=0.97mQ
R=0.043mQ
pulk
Plane
:
.
“
'
✓
•v
s
・
>
R
skin
>
/R0.416+0.057)mQ
L
1
L
c
L
mount
22
1
L
mount
IpO
f
£^(l+1861)/6*le-12
:
L^(l+372)/10*le-12
q
R=(3.892/6)mQ
1
/?=(0.778/10)mQ
]L
£
C
L
22u
1
UP
。
f
L=(1200/6)pH
.£=(600/1
0)pH
\
R=(4.3/6)mQ
/?=(]
0.3/1
0)mQ
r
C
r
C
C
22u
_C_]
pO
T&22*6)
ji
F
1
pC=(1.0*10)jiF
L
1
Probe
图
10-8
在
PRC
中描述
3
个环路的等效电路模型和所有起作用的元素
最高频率和最重要的峰是
Bandini
山
，
它是由片上去耦电容
、
封装引线电感
，
以及一
些与
MLCC
电容器安装电感相关联的
，
产生的
。
MLCC
电容器和大容量电容器的电感环路相互作用产生下一个较低的频率峰
。
VRM
的有效电感和大容量电容器的相互影响产生最低的频率峰
。
提示只要谐振频率至少在频率上被一阶幅度隔开
，
则元素之间的相互影响不会太大,
我们能够独立分析每个并联谐振
。
PRC
设计就是这样进行的
。
如果谐振频率没有被十倍频程隔开
，
则谐振之间产生相互作用
。
PRC
失去准确度
，
对
较低的频率峰需要电路仿真
。
如果块状回路电感用在高频和大容量电容器环路中
，
这对于
Bandini
山的计算仍旧是非常好的
。
3
个峰中每一个对
R
、
L
和
C
元素的重要贡献都包含在
PDN
谐振计算器中
，
它们被估
算在电子数据表部分
。
对每个峰
，
我们计算等效回路电感
、
电容和阻尼项
。
利用这些在频
域计算最重要的阻抗曲线指标
，
在时域计算
3
个重要波形的瞬态响应
。
在默认值设计中
，
规定的几何形状和材料被假设作为估算
PDN
电路参数的起始点
。
如果你使用软件抽取工具得到电感和电阻参数
，
则可放弃电子数据表的抽取部分
。
软件工
具需要设计数据库
，
这个要到产品周期的后期才可能得到
。
你可用软件抽取的更加准确的
值代替电子数据表的电路参数
，
以估算频率和时域性能指标
（
阻抗峰值
、
Q
因子
、
电压下
垂
，
等等
）
。
PRC
在指出必须改变设计指标方面是非常有用的
，
不是产生具有可接受性能
的
PDN
O
表
10-6
所示为分析
3
个峰值性能指标的
PRC
部分
。
第
10
章
PDN
设计的实用方法
383
表
10-6
为封装和印制板
、
芯片特性
、
分离电容器特性
、
计算的
q
因子显示计算得到的电感和
电阻参数
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
m
。
28
提取
R-pkg-ac-
在谐振频率
（
额外
）
处的交流的
R
封装
0.
403
—
—
mQ
29
提取
印制板串联电感或
VRM
19
96
10
000
pH
30
提取
R-board-dc
—
在电源电流路径处的直流
R-
印制板
0.
043
0.
97
0.
2
mQ
31
提取
R-board-ac-
在谐振频率
（
额外
）
处的交流
R-
印制板
0.
060
0.
0
—
mH
32
输入
板上电容器的数量
10
6
一
一
33
分离电容器参数
（
部分环路
）
—
一
一
一
34
输入
电容
1.0
22
一
好
35
结果
ESR
10.
3
4.3
一
m
。
36
输入
与电容器体积有关的部分电感
600
1200
一
pH
37
电容器的安装特性
（
部分环路
）
一
一
—
—
38
提取
来自通孔的安装电阻
0.
778
3.
892
—
mQ
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
一
pH
41
并联安装电容器环路特性
一
一
一
—
42
结果
电容
10
000
132
000
一
nF
43
结果
电阻
0.
6
1.4
—
mO
44
结果
电感
84
510
—
pH
第
26
行是封装串联电感
，
从封装的垂直和水平结构中抽取
。
第
27
和
28
行是每个峰在直流和谐振频率时的封装串联电阻
，
它已经考虑了趋肤深度
效应
。
计算
AC
电阻时使用了已进一步发展的电子数据表中第
55
行它们的谐振频率
，
这在
后面的表
10-7
中会表示
。
它们的较大者用于计算电阻性阻尼
。
第
29
行是与印制板通孔和分布电感有关的串联电感
。
在最低频率峰的情况下
，
它也包
含了
VRM
输出电感的影响
。
第
30
和
31
行是印制板上电路路径的串联电阻
。
AC
电阻是在每个环路的谐振频率上
作为趋肤深度电阻来计算的
，
仅仅较大的电阻用于阻尼计算
。
第
32
行是使用
MLCC
或大容量电容器的数量
。
它们的电感用于较高的频率峰上
；
它
们的电容用于较低的频率峰上
。
第
34
行是用于印制板上的电容器容量
。
在这个电子数据表上
，
我们假设仅使用一种
电容容量
。
我们必须使用一种仿真工具来探索多个电容容量的情况
，
以提供平坦的阻抗
曲线
。
第
35
行是计算的电容器的
ESR,
假设电容器尺寸是
0402
和
MLCC
电容器
。
在第
5
章已经讨论过
，
我们能使用仅与电容有简单关系的公式来模拟很多
MLCC
电容器
，
关
系为
：