PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第417页
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 AD S 1 ml2 Fr equency=44. 06M Hz Ma g( q_l eak age ..c ir cuit s) = 0.3 …
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
402
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
表
10
・
15
比较
3
种不同分析方法的损耗项
：
PRC
、
ADS
频域和
ADS
时域
。
一致性是明显的
PRC
ADS
FD
ADS
FD
阻尼机制
类型
电阻
—
心峰
—
/_tran
Vp_p
z_
峰
—
q
因子源
—
m
。
q
因子
m
。
q
因子
A
mV
mH
q
因子
泄漏电阻
并联
333
9.
3
333
9.
3
1
419
329
9.
1
负载电阻
：
从
0.001
〜
1A
（
开关电容器负载
）
并联
1998
55.5
1998
55.3
0.
999
2252
1770
49.2
负载电阻
：
从
1
〜
9A
（
开关电容器负载
）
并联
200
5.
6
200
5.
6
8
2065
203
5.
6
片上电容
串联
2.
5
14.
4
523
14.
5
1
653
513
14.
2
泵回路电阻
串联
1.
5
23.3
787
21.
9
1
989
777
21.
6
组合
q
因子
一
—
2.
5
91
2.
5
8
903
89
2.
5
Zo
（
谐振电抗
）
m
。
36.
0
一
这些计算中的关键是特性阻抗
Z
。
，
在
PRC
中
，
它的计算值为
36m
0,
ADS
的仿真也
为
36m
。
。
PRC
计算
q
因子用的是电阻与电抗之比
。
我们计算
ADS
频域
q
因子使用的是阻
抗峰的高度除以
Z
。
。
ADS
时域仿真的阻抗峰值是用峰-峰电压除以瞬时电流和傅里叶系数
而得到的
。
然后
，
使用时域阻抗峰值除以
Z
。
得到
q
因子
，
就像频域那样
。
表
10-15
中给出了使用
3
种不同方法得到的
q
因子
，
显示
1A
瞬时电流行的负载电阻
是为了参考
。
相反
，
1A
和
8A
负载阻尼证明了当电流变得高时它们的重要性
。
组合的
q
因
子在仿真时涉及的是
8A
瞬时电流
，
电流计算时用的是
200m
0
的电阻器
。
PRC
、
频域和时
域仿真之间的一致性非常好
。
提示
单独用电子数据表格式
、
频域仿真或时域仿真考虑每一个损耗机制
，
这个分析
支持这些方法
。
组合这些单独的
q
因子可得到总的
q
因子
。
使用这些
q
因子
，
是识别最强阻尼机制有用的技术
，
这个技术可用于控制阻抗峰值高度
。
10.
14
上升时间和阻抗峰激励
在前面的例子中
，
瞬时电流的导通需要大约一个时钟周期
。
这意味着它包含非常宽的
信号带宽
，
从几倍时钟频率到直流
，
或我们选择看的部分
。
这种瞬时电流具有的频率分量
可激励
PDN
阻抗曲线上的所有谐振
。
可是
，
如果电流阶跃的上升时间来包含足够的频率
分量来激励一个特定的谐振呢
？
电流的上升时间对激励电压响应具有严重的影响
。
例如
，
我们评估具有
1ns
上升时间的信号带宽
：
BW
=
=
0.
35GHz
=
350MHz
（
10-43
）
RT
ins
一个重要的考虑是究竟这个电流负载的上升时间是否有足够的频率分量来激励谐振?
上升时间越短
，
就能仿真越高的谐振频率
，
较长的上升时间则不能
。
图
10-19
所示为三峰
PDN
拉出完整
8A
瞬时电流时的电压曲线
，
它开始在
10ns,
上升
时间为
1ns
。
上升时间足够快
，
可以仿真所有的
3
个阻抗峰
。
44MHz
的
Bandini
山峰值,
在大约
16ns
时产生下垂
。
2MHz
的峰值在大约
180ns
时产生下垂
，
要看到它是有一些困难
的
，
因为
Bandini
山的剩余振铃
。
130kHz
的峰大约在
2
网时产生下垂
。
我们在不常用的时
间对数坐标上画出波形
，
在同一个图上来看
3
个阻抗峰中每一个的影响
。
可以证明
：
我们