PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第415页
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…
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
。
400
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
现在我们检查时域
PRC
讨论中指出的单独的
q
因子
。
我们置
ADS
电路中所有集总参
数损耗元件为零
，
除了一个要考虑的机制外
。
在这些仿真中
，
我们使用
1A
的峰-峰方波理
想电流源作为激励
，
除非要评估负载损耗项
。
峰-峰电压被仿真
。
知道瞬时电流
，
我们可以计算时域阻抗峰值
。
时域阻抗峰值被
Zo
除以确定时域
q
因子
。
图
10
-
18
所示为一次一个阻尼机制的时域和频域仿真
。
使用开关电容器负载
、
8A
的峰-
峰值电流
，
在时域完成负载阻尼
。
为了在其余仿真时消除负载阻尼
，
我们使用了
1A
峰-峰值的
理想方波电流源代替开关电容器负载
。
理想电流源没有损耗
，
因为负载电流不依赖
PDN
电压
。
检查频域和时域两种情况下的单独的
q
因子
，
在相同比例因子下得到每个贡献者对总
的
q
因子的重要可见图形
。
我们观察波形
，
高阻抗峰具有的时域响应波形是缓慢建立起高
电压的
。
具有低
q
因子谐振的电路电压不能被建立
。
顶部图形所示为单独泄漏阻尼的电压响应
。
非线性源拉出的电流是
PDN
电压的立方
。
时域激励使用
。
〜
1A
的理想电流源
，
在
Bandini
山频率
(44.06MHz)
处产生一个方波
。
谐振响应上升到
419mV
的峰-峰值
，
频域仿真显示阻抗峰值为
333m
。
。
第二个图形显示的是开关电容器负载阻尼
。
瞬时电流的范围为
0.001
〜1A
之间
，
这是
因为开关电容器不能完全关断
。
建立的谐振波形的峰-峰值为
2252mV,
建立时间超过
I
rs
。
很清楚
，
它具有高的
Q
因子
，
因为低负载电流有小的损耗
。
频域仿真使用了
L
998
。
的电
阻器
。
我们使用时间平均电流近似为
0.5A,
芯片电压为
IV
来计算得到近似为
2
。
的等效
电阻
。
我们给出这个图作为参考
，
以证明负载阻尼能造成多大的不同
。
第三个图形显示当瞬时电流在
1
〜
9A
(8A
瞬时电流)时
，
开关电容器负载的阻尼
。
这
是与完整
PRC
计算的数值一致的
。
谐振波形很快就建立起来
，
达到
2065mV
的峰-峰值
。
与
1A
瞬时电流情况相比
，
这种情况有更多的负载
，
q
因子低得多
。
有兴趣的事情是噪声仿
真幅度类似于
1A
瞬时电流的情况
。
这是因为噪声幅度是阻抗峰值和噪声电流的乘积
，
与
8A
时的情况相比较
，
它是
1A
情况下阻抗峰值的
8
倍
。
我们使用
200
。
电阻器进行频域仿
真
，
因为时间平均动态电流是
(9
+
l)/2
=
5A
。
频域阻抗峰值是
0.
200
。
。
提示注意
：
当仅包含电流负载阻尼时
，
产生的时域峰-峰值电压噪声不依赖于电流负
载
。
虽然低电流负载具有较少的驱动力
，
但它看的是较高的峰值阻抗
。
高电流
负载有高的驱动力
，
但是低的
q
因子会产生较低的峰值阻抗
，
这两种情况下的
电流和阻抗的乘积大约是相同的
。
第四个图形显示的是与单独片上电容器关联的
ESR
阻尼
。
我们假设
RC
乘积的时间常
数为
250ps
。
对于
100nF
的
ODC,
给出的
R
为
2.5mQ
。
具有理想电流源负载的时域仿真给
出
653mV
的峰-峰值电压
，
时间为
500ns
。
ODC
的
ESR
的频域仿真峰值为
523m
。
。
第五个图形显示的是单独泵回路阻尼
。
并联印制板电容器的
ESR
是最重要的
，
但是也
包含印制板和封装金属的趋肤效应损耗
。
理想电流源负载引起谐振
，
建立
989mV
的峰-峰
值
，
时间为
1000ns,
频域峰是
787m
。
。
注意
：
泵回路损耗(包含印制板电容器)
，
是最不
重要的阻尼机构
。
我们在频域和时域单独仿真了每一个损耗机制
。
这些数值与
PRC
计算的比较显示在
表
10
-
15
中
，
我们比较了每个单独阻尼机制的等效串联或并联电阻和
q
因子
。