PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第425页

第 10 章 PDN 设计的 实 用 方法 409 图 10-25 所 示 为印制 板 电 容 器 的 仿 真电路 图 。 原 来 的 三 峰 PDN, 有 10X%F 电 容 器 。 改 变 电 容 器 的 分 布 为 lXlO ^F 、 1X4. 7 m F. 2X2.2 r F 、 4X1 r F 、 6X470nF 、 10X220nF 和 16X100nF （ 总数 为 40 个 ） ， 最 低 限 度地改 善 PDN 。 每…

100%1 / 453
408
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
计算的
5%
的容差
，
电源完整性工程师常常遇到这种困难
。
本节提供一些改善和控制这个困
境的建议
。
这些改善有几个后果
，
如价格增加
、
影响性能和功率
。
我们讨论的改善包括
：
•
附加封装电容器
■
优化中频印制板电容器
•
在
VRM
模型中有额外的阻尼
•
降低瞬时电流
•
增加瞬时电流的上升时间
（
减小频率内容
）
•
当所有都失败时
，
增加
PDN
电压
，
覆盖电压下垂
对于核心电路
，
通常我们的兴趣为最大时钟频率
Fmax,
这里在给定电压下
，
芯片要运
行在无错误状态
。
任何进一步减小
PDN
电压的操作都可能引起设置时间违例
，
导致功能
失败
。
I/O
和通信电路常常比关心上升和保持时间失败
，
更关心抖动
。
它们常常对
dV/8
比最小功能电压更灵敏
。
最大的问题是
Bandini
山
，
这里的片上电容和封装电感电抗交叉
。
阻抗峰值
91m
。
高
于目标阻抗
6.
3m
。
（
PRC
中的第
10
和
56
行
）
。
最明显的方法是增加片上电容或减小泵-封
装-电路印制板的回路电感
，
降低交叉点和特性阻抗
。
提示
片上电容需要更多的薄膜氧化物电容的硅面积
，
或者额外的
MIM
（
金属-绝缘
体-金属
）
掩模电容
。
虽然这两个解是非常有效的
，
但它们也是花费昂贵的
。
高
价格关联
ODC
的增加
。
PRC
的第
19
行指出已经有
100nF
的片上电容
。
第
13
〜
17
行对时钟边缘噪声的评估指
出开关因子是
4.5%,
这是非常合理的
。
第
58
行的预期时钟边缘下垂是
45mV,
没有超过
要求
。
这里的主要问题是
，
给出的时钟频率
（
2GHz
）
相当快
，
导致高的功率密度
。
对于
更高级的技术节点来说
，
这个问题是很普通的
，
无非是投入
MIM
电容以制造强大的状态
。
在某些市场
，
这些产品是可接受的
，
但其他则不是
。
其他的选择是工作在电感侧边
。
在默认值设计中
，
泵回路电感包含封装
、
球
、
PCB
通孔
、
电源平面和印制板电容的安
装电感
。
PDN
谐振计算器的谐振计算和抽取页面对电感贡献者给出了好的见解
。
第
47
行
的
132PH
的回路电感
，
其中
84PH
来自电容器的安装电感
，
其余的
29PH
来自封装
，
19PH
来自印制板
BGA
通孔
。
很清楚
，
电容器的安装电感占据主要的地位
。
高频电容器的数量
从
10
个到
20
个
，
数量加倍时
，
电感从
84PH
下降到
45pH
。
再次数量加倍
，
电容器安装电
感从
45PH
下降到
23pH
。
此时
，
我们已经达到消失重现点
，
因为
23PH
小于封装和印制板
BGA
通孔电感
（
48pH
）
的一半
。
我们已经增加印制板高频电容器的数量从
10
个到
20
个
，
然后再到
40
个
。
再次加倍到
80
个电容器时
，
印制板电容的电感仅减小到
12pH,
它与印制板通孔和封装电感
（
48pH
）
串联
。
对于这种设计
，
使用大于
40
个印制板电容器
，
性价比不高
，
甚至有争论说
40
个都太多了
。
提示
如果电路板上的电容器的等效并联电感低于其他串联电感
（
封装
、
板通孔
、
电
路板平面等
）
，
则即使增加更多的电容器
，
也不会使回路电感明显降低
。
这为实
现印制板层面的
MLCC
电容器数量到达目标值
，
设置了方便的性价比限制
。
第
10
章
PDN
设计的实用方法
409
图
10-25
所示为印制板电容器的仿真电路图
。
原来的三峰
PDN,
有
10X%F
电容器
。
改变电容器的分布为
lXlO^F
、
1X4.
7
m
F.
2X2.2
r
F
、
4X1
r
F
、
6X470nF
、
10X220nF
和
16X100nF
（
总数为
40
个
）
，
最低限度地改善
PDN
。
每个电容器支路中的电路元件参数
是乘数或者是除数
，
所以我们容易在仿真时调整每个分支的数量
。
;
L
\L
L
,
£_Mount_4p7
(
:
L=(372/iT_4p7nF)
pH
f
.
Z_Mount_2p2
:
£=(372/
i
T
2
P
2
fi
F)
pH
1
/?=(0.778M_2p2gF)
mQ
£_Mount_22
C
£^(1861/n_22pF)
pH
S
£_Mount_10
C
L^(372/nZ10jiF)
pH
C
/?=C3.892/n_22nF)
mQ
甘
=f0.778/n
」
0pF)
mH
]
R
=(0.778/n_4P
7")
mQ
1
L
J
L
|
L
£^(1200/n_22pF)
pH
C
—
—
22/
力
2"
«
_
C_22u
l
_
iuu
(
L_qp/
c
pz
L^(900/n^l0pF)
pH
$
L=(800/n_4p7pF)
pH
$
£=(700/n_2p2pF)
pH
/?=r
」
0/n_10NF
♦
♦
-
C_10u
一
R
=r_4p7/n_4p7gF
0
C
L
C_4p7
-
=r_2p2/n_2p2pF
C
L
C_2p2
T
0(22'_22
叱)
pF
C=(10*n
」
0nF)
pF
C=(4.7*n_4p7gF)
pF
/
p
C=(2.2*n_2p2pF)
jxF
r
£_Mount_lpO
(
夕房
(372/\lp0pF)
pH
«|
R
=(0.778/n_lp0gF)
mQ
<
f
Lpo
；
>
L=C600/n_lp0gF)
pH
1
/?=r_lpO/n_lpOpF
,
・
，
—
c
C_lpO
j
，
(>(l.O*n_lpOpF)
pF
z
二
L_Mount_p470
C
L^(372/n_p470pF)pH
[
,
/J=(0.778/n_p470pF)
mQ
》
)
14P
8
5
:
£=(400/n_p470jiF)
pH
>
/?=r_p470/n_p470pF
》
!
:
c
4P
8
p
C^(0.470*n_p470gF)
pF
二
£_Mount_p220
f
:
£^372/n_p220gF)
pH
C
I
/?=(0.778/n_p220pF)
mC
d
.
L_2p3
，
»
后
400/n_p220nF)
pH
/?=r_p220/n_p220pF
.
c
2P
3
_
p
(
>(0.220
#
n_p220pF)
pF
二
\
L
.
L_Mount_plOO
•后
372/n_plOO/F)
pH
1
7?=(0.778/n_p
1
OOpF)
mC
卜
.
L_lpl
•
L^40O/n_plOOpF)
pH
R=r_p
1
OO/n_p
1
OOpF
C
_C_lpl
p
(
>(0.100*n_pl00HF)pF
图
10-25
具有分布值电容器阵列的电路模型
。
选择
8
个不同的数值
，
每种都有自己的
ESR
、
ESL
和数量
，
电容器的容量范围
：
22/F,
10
m
F,
4.
7
M
F,
2.
2
M
F,
1.0
M
F,
470nF,
220nF
和
100nF
。
电容器的数量确定有效安装电感
、
电容器电感
、
ESR
和电容
图
10-26
所示为当从
10
个相同的印制板电容器增加到
40
个具有分布值的电容器后,
预期的改善
。
我们仔细选择这
40
个电容器
，
以在印制板频率范围内提供平坦的阻抗
，
而且
恰低于目标阻抗
。
这样第二个谐振峰和前面讨论的第二下垂已经被消除
。
虽然我们消除了第二阻抗峰
，
但
Bandini
山仅从
91mQ
降到
74m
。
。
从
10
个增加到仔
细选择的
20
个电容器
，
大部分的性能改善都可由此得到
。
电容器数量的再次加倍是不成功
的
，
因为带状板通孔和封装电感占优
。
410
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
(
C
)
归国
ADS
2E-1
-
1E-1-
m_3_peak
F
requency
=
44.46MHz
Mag(imp_ac_com..circuits)
=0.091
Max
m_40caps
Frequency
=
61
.94MHz
Mag(imp_ac_board..circuits)
=
0.074
Max
1E-2
1E5
1E6
1E7
1E8
1E9
频率
(
Hz
)
附加容量分布的印制板电容器改善
PDN
。
原来
10
个印制板电容器增加到
40
个
，
并优化它们
，
使阻抗尽可能平坦
。
第二谐振峰消失
，
Bandini
山的改善主要来自电
容器安装电感的减小
。
若进一步增加电容器的数量
，
则回报很小
，
因为这时印制
板其他部分的电感占据优势
1E-3
1E4
图
10-26
提示
对印制板设计者而言
，
他能做的就是控制印制板
，
但影响不了封装或者芯片
。
一种限制存在以影响
Bandini
山
，
但不影响封装引线电感和片上电容
，
这是因为
Bandini
山的特性阻抗是很高的
。
前面的讨论说明了
PRC
电子数据表的主要价值之一
：
很容易看到几种电感结构的贡
献
。
通过指出每个贡献者的相关重要性
，
引导我们进入改善最大性价比的领域
。
也让我们
知道
，
一旦已达到回报减小点
，
则需要另想其他的改善方法
。
10.
16
三峰
PDN
的改善
：
较好的
SMPS
模型
现在
，
显而易见是已经有两个主要峰
，
一个来自
Bandini
山
，
另一个来自
VRM,
这个
VRM
峰可能不是真实的
。
典型的开关型电源
(SMPS),
也许在
100kHz
时有一个阻抗峰,
但是它没有高的
q
因子
。
当有合适设计和适当补偿后
，
这个峰不高且不尖锐
，
由阻抗曲线
预测困难
。
这时假设反馈环路
，
控制系统和泵电容器能被很好地管理
。
准确的
SMPS
仿真
仅能在时域实现
，
因为电路拓扑随着时间而变化
，
是严重的非线性
。