PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第416页
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 …
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
。
第
10
章
PDN
设计的实用方法
401
ADS
(
>
)
与 O N d
2.5^
----------------------------------------
2.0
：
1.5
1
i.or
0.5
j
o.o-
泄漏阻尼
ADS
1
ml2
Frequency=44.06MHz
Mag(q_leakage..circuits)=0.333
Max
时间
（
MS
）
2
3
4
5
6
7
89-
E
E
E
E
E
E
EEE
7
7
7
7
7
7
778
频率
(
Hz)
s
(
>
)
ttJ
^
C
I
N
d
AD
Ds
(
A
)
国
雯
Q N d
AI
o
O
O
O
O
O
O
3
3
:
二
k)
2
。
5
。
5
O
5
U
o
£
5
ppppppppppppT-
44tAi
xi
KKU
11boixbSB
。
5
。
5
。
5
。
505
。
50
时间
（
2
）
-0.5
ind
Delta=!.465E-7
dep
Ddta=-2.065
Min.
Delta
Mode
ON
o
o
o
o
o
o
O
O
K>
O
5
。
5
。
5
时间
（
MS
）
ADS
2.5
ODC
阻尼
m5
Frequency=44.06MHz
mag(q_load
l_0..circuits
尸
1.989
Max
2
3
4
5
6
7
009-
E
E
E
E
E
E
EEE
7
7
7
7
7
7
778
频率
（
Hz
）
m6
Frequency=44.06MHz
Mag(q_load9_l
..circuits)=0.200
Max
2
3
4
5
6
7
89一
E
E
E
E
E
E
EEE
7
7
7
7
7
7
778
A
)
出
田
0
2
<
1
-0.5
2.0
1.5
1.0
0.5
0.0
ml6
Time=479.9ns
q_odc_t..circuits=
1.325
Max
ml5
ind
Delta=1.13OE-8
dep
Delta=-0.653
Min,
Delta
Mode
ON
1
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
I
ppopoppopppppppppppp
—
0505
0
5050505050505
0
50
(
>
)
出出
CINd
ADS
1
a
1E-2
频率
（
Hz
）
愠
1
E
—
1-
Frequency
=44.06MHz
mag(q_odc..circuits)=0.523
Max
2
3
4
5
6
7
89i
E
E
E
E
E
E
EEE
7
7
7
7
7
7
778
频率
(
Hz)
m17
1H7
-
Frequency=44.06MHz
Mag(q_bumploop..circuits)=0.787
IE-2-
5
E
E
E
E
E
E
EEE
7
7
7
7
7
7
778
频率
(
Hz)
图
10-18
一次包括一个损耗机制的
RLC
谐振频率上的由方波电流激励的瞬时仿真
。
单独阻
尼机制下的瞬时响应和峰值阻抗响应是非常一致的