PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第414页
398 PD N 设计 之 电 源完整性 ： 高速 数字 产品 的鲁 棒 和 高 效 设计 每 一个 ： 泵回 路电阻 、 ODC 电阻 、 泄漏 电 流 和 开 关 电 容 器 负载阻 尼 。 一 次 一个 ， 每 个 机 制 都 包含 在 具 有 片 上 电 容 和 封 装 - 泵 - 回 路电 感 的电路 模型 中 ， 来 评 估 由 此 产 生的 峰 值 阻 抗 。 除 了一个 要考虑的 条 件之 外 ， 只 要 把 串 联电阻…
第
10
章
PDN
设计的实用方法
397
ADS
2.0
(
>
)
图
出
能
出
r
o
o
o.
m_SCL
ind
Delta=-3.386E-8
dep
Delta=
-0.903
Min,
Delta
Mode
ON
m7
Time
=
185.5ns
Peak3_cs..circuits=l
.747
Max
midealCS
indDelta=-1.087E-8
dep
Delta=-
1.588
Min.
Delta
Mode
ON
m8
Time=
185.5ns
Circuits=1.414
Max
I
70
60
50
40
I,
30
「
170
—
160
—
150
I
40
—
130
I
120
I
o
'I'
,
loo
「
90
—
00
2
—
190
—
80
30
20
10
0
ADS
(
<
)
棍
-tf
联
20
70
6050
40
30
80
90
00
20 30
40
50
60
70
80
90
)()
2
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
160
170
180
190
200
时间
(ns)
「
20
间
时
间
时
图
10-15
三峰
PDN
的谐振激励的瞬态响应
，
它由理想电流源和开关电容器负载来仿真
。
顶
部
：
来自两个不同电流模型的芯片焊盘上的仿真电压
。
开关电容器负载模型(包含
动态阻尼)显示较小的峰值高度
。
中间
：
从电路印制板通过封装引线和芯片焊盘进
入芯片的电路流动
，
由
Bandini
山并联电抗滤波
。
泄漏电流来自理想电流源
。
底部
：
使用方波开关改变片上电容器负载的电流
10.
13
时域和频域中独特的
q
因子
在本节
，
评估不同的
q
因子在频域和时域中的影响
。
我们首先隔离
4
种阻尼机制中的
398
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
每一个
：
泵回路电阻
、
ODC
电阻
、
泄漏电流和开关电容器负载阻尼
。
一次一个
，
每个机制
都包含在具有片上电容和封装-泵-回路电感的电路模型中
，
来评估由此产生的峰值阻抗
。
除了一个要考虑的条件之外
，
只要把串联电阻减小为零
，
并联电阻增加到非常大
，
就可以
完成这个工作
。
最终
，
4
个阻尼机制一起考虑
。
可以预计
，
越小的
q
因子
、
越大的阻尼会
导致越低的阻抗峰值高度
。
图
10-16
所示为包括单独阻尼源的频域阻抗曲线仿真
。
感抗和容抗相交在特性阻抗
Zo
处
，
在每个条件下都是如此
，
正如图的底部所示
。
在仿真中
，
抽取的特性阻抗为
36m
。
,
作为比较
，
PRC
得到的也为
36m
。
。
仿真电抗处于交叉点时
，
从电感泵回路上断开片上电
容
，
然后单独评估每一个
。
单个的
q
因子总是阻抗峰值与
Zo
的比
。
mbumploop
m
ODC
ADS
1
2E7
3E7
频率
(
Hz
)
i
mbumploop
Frequency=44.06Ml
IZ
Mag(q_buploop..circuits
>=0.787
Max
_____________________
m_8AjranJoad
Frequency
=
44.06MHZ
Mag(q_lload9
I
..circuits)=0.200
Max
_
_____________
4E7
5E7
6E7
7E7
8E7
9E7
1E8
m_ODC
Frcquency=44.06MHZ
Mag(q_odc..circuits)=0^23
Max
m
all
damping
Frequency=44.06MHZ
Mag(q__all_ac..circuits)=0.091
Max
一
rrFleakage
Frequency=44.06MHZ
Mag(q_leakage..circuits)=0.333
Max
m_Z0
Frequency=44.06MHZ
Mag(ZO..bump)=0.036
m
8A
tran
load
m
all
damping
图
10-16
对相同的
ODC
和泵回路电感仿真的阻抗曲线
，
但单独评估每一个阻尼机制
。
这也
包含了特性阻抗和所有阻尼项一起的阻抗
表
10-14
比较了由
PRC
计算的阻抗和仿真的峰值
。
串联电阻置为零
，
并联电阻置为非
常高的数值
，
除了考察的那个机制外
，
这类似于我们在仿真中做的那样
。
一致性非常好,
特别是对较低的阻抗峰
。
可能是在仿真中一些损耗机制没有完全被关断
，
所以得到稍微低
的阻抗峰值
。
表
10
・
14
由
PRC
预测的单独阻尼机制的阻抗峰值与
ADS
仿真的单独阻尼机制的阻抗峰值的比较
单独的阻尼机构
PRCZ
峰值
(
mQ)
仿真
Z
峰值
(mQ)
泄漏
333
333
负载损耗
200
200
片上电容的
ESR
530
523
PDN
回路电阻
854
787
所有机制
91
91
若所有的机制都存在
，
则阻抗峰值是
91m
。
，
这个数值与
PRC
预测的
91m
。
完全相
第
10
章
PDN
设计的实用方法
399
同
。
正如从
PRC
中预测的那样
，
最低的单独阻抗峰是与负载阻尼相关的
，
在时间平均瞬时
电流是
9A
—
1A=8A
时它为
200m
。
。
下一个较高的峰是泄漏
、
ODC,
然后是泵回路损耗
机构
。
相当重要的几个阻尼机制常常是不同
PDN
之间是变化的和依据工艺
、
电压和温度
(
PVT)
条件
。
频域仿真的组合
q
因子是
2.
5,
这与
PRC
的数值
2.5
是相同的
。
q
因子
=
攀
=
=
2.5
(10-41)
Zo
36mo
图
10-17
所示为具有所有阻尼机制时的谐振波形仿真
。
在这个例子中
，
使用了
8A
的
峰-峰值电流
，
它产生于开关电容器负载模型
。
所有损失机制
时间
(
ns
)
图
10-17
当所有阻尼项存在时谐振抽取的时域仿真
波形几乎达到峰-峰值是在两个完整周期后
，
这时对应于
2.5
的
q
因子
。
标记表示在第
一个
200ns
时形成的峰-峰值波形为
0.903V
。
我们能利用这个信息来计算时域
q
因子
。
根
据第
9
章的内容
，
我们知道谐振时的峰-峰值电压是
：
V
pk-pk
=
—
^transient
X
Z
pea
k
和
Zpeak
=
2L
TC
I
transient
4
(10-42)
在这个仿真中
，
谐振强制函数是理想的
8A
峰-峰方波
。
利用这个方程
、
峰-峰电压和
瞬时电流的知识
，
我们计算的
Z_peak
是
89m
。
。
时域的
Z_peak
与
Z0
的比是
2.
5
的
q
因
子
，
这与频域和
PRC
的结果是相同的
。
现在我们已经从
3
个不同的途径证实了
q
因子
：
PRC
、
频域仿真和时域仿真
。
在
PRC
中
，
电阻和电抗用于计算
Zo
。
计算出的
Zo
和
q
因子一起预测阻抗峰值
。
在频域仿真中
，
我们使用电抗的交叉点发现
Zo,
利用仿真的峰值与
Zo
之比确定
q
因子
。
我们从峰-峰电压
中发现时域的阻抗峰值
，
并进行反向计算谐振噪声预测
，
见式
(
10
-
42)
。
提示
这
3
个途径证明我们能从电子数据表
、
频域和时域技术计算
q
因子
，
它们具有好
的一致性
。
在
Zo
、
q
因子
、
阻抗峰值和峰-峰时域谐振噪声之间
，
它们所有都是
自洽坚实地支持这个简单的关系
。