PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第399页

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 — — p H 27 提 取 在 电 源 电 流 路 径 中 的 R 封 装 0.…

100%1 / 453
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
：
384
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
T7OD
_
0.
20
。
(C[nF])°-
43
(10-30)
式中
，
C
是电容器的电容值
（
nF
）
；
ESR
是等效串联电阻
（
。
兀
第
36
行是电容器本身的部分自感
。
描述电容器
ESL
的模型是一个简单的总电感
。
这
项归属于电容器的最小回路电感
，
通常与电容器安装位置有关
，
可放置在腔体顶部的一段
距离上
。
它依赖于腔体在哪一个层次和填充电容器的介质厚度
。
第
38
行是印制板上从电容器放置焊盘到腔体顶部通孔
（
通道
）
的串联电阻
。
这是根据
层次信息抽取的
。
第
39
行是表面焊盘连接电容器到通孔所贡献的电感
。
这是根据腔体深度和轨迹的平方
数输入数据的
。
在这个默认值例子中
，
假设通孔是在焊盘中
，
所以这个数值是非常小的
。
第
40
行是印制板通孔贡献的回路电感
，
这是由电子数据表上提取的
。
它根据表
10-4
上的抽取表计算得到
。
第
42
〜
44
行是计算去耦电容器
RLC
数值的最终结果
。
考虑它们的并联组合值
，
用一
个简单的串联
RLC
电路来模拟这个电容器
。
10.9
性能指标
表
10
-
7
所示为
PRC
中的一部分数据
，
根据后面部分描述的输入信息
，
计算每个阻抗
峰的重要性能指标
。
表
10
・
7
显示
3
个环路重要性能指标的
PRC
电子数据表的简况
25
类型
峰值分析
环路
1
（
峰
1
）
环路
2
（
峰
2
）
环路
3
（
峰
3
）
单位
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.
548
2.
954
1.573
mfl
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
（
与贡献者组合在一起
）
2.
5
2.
4
4.0
—
50
结果
泄漏引起的
q
因子
9.
1
39
39
—
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
一
—
—
53
结果
环路电阻
（
排除
ODC
的
ESR
）
q
因子
24
2.
9
5.5
—
54
PDN
性能指标
—
一
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
mfl
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
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
一
mQ
62
DC
结果
最大电流下的
DC
功率损耗
312
一
一
mW