PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第426页

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 AD S 2E-1 - 1E-1 - m_3_peak F re quenc y = 44.46MHz Mag ( im p_ac _com ..ci rc uit s) =0.091 Max m_40caps Fre quenc y = 61 .94MHz Mag (i mp_ac_board..ci rcui ts) = 0…

100%1 / 453
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
。
第
10
章
PDN
设计的实用方法
411
一个上升电流的瞬时
SMPS
响应时间常常不同于下降电流的瞬时响应
。
这违反了频域
分析的很多假设
。
为了
VRM
的频域仿真
，
我们仍旧需要一些类型的线性模型
。
我们不能
直接连接理想电压源到印制板电容器上
，
这完全是不现实的
。
换句话说
，
SMPS
电路模型
必须足够简单
，
在不消耗很多仿真时间和计算机内存的情况下
，
仿真有用的时间刻度
。
好的工作区是合适的电阻器
（
10m
。
）
尽可能地靠近连接
，
并对理想电压源分流至大
容量电容器
，
如图
10-27
所示
。
加入的
R_damp
用于模拟
SMPS
VRM
的阻尼
，
但不是实
际系统的电阻器
。
VRM
电感器仍旧用于控制低频阻抗
。
虚构的
R_damp
简单地设置
VRM
阻抗峰值的限制
。
L
£_brd_vias
L=19pH
/?=0.043mQ
L
£_plane
£=96pH
/?=0.97mQ
L
A_pkgl
£=29
pH
Q0.403m
。
l_Probe
l_bump
I
Probe
l
匚
VRM
〃
^1
£=10nH
r*-i
7?=O.2mQ
IProbe
l_plane
.
]
1
Plan
：
J
__________
Ball
- ------ -------------------
Bump
1
|
<
V_DC
4-SRC1
y
Vdc=Vdd
R
»
7?_damp
>/?=IO
mil
.
j
B3k
^_skin
L
</?^(0.146+0.057)mQ
£_mount_22
房
(1+1
疝)/
6*112
降
IVAR
»
R=(3.892/6)mQ
Caos
caps_40
一
、
强人心
[
JLiT
n_22
g
F=0.001
{t}
开关电容器负载
|
f
一
n_10
H
F=1.001
{t}
1_37
'
y?n00/61nH
甲
n_4p7gF=1.001
{t}
声]
,
Z-(1200/6)pH
n
_2p2jiF=2
{t}
一
1
。
1
]R
=
(4.3/6)mQ
n_lp0jxF=4
{t}
{t}
n_p220gF=10
{t}
n_p100gF=16
{t}
|
C
JL
C_22u
*J*
&
22*6)pF
图
10-27
使用
R_damp
（
10m
。
的虚构阻尼电阻
）
改进了
SMPS
电路模型
。
10nH
的串联电感
用于匹配
VRM
的瞬时响应
，
包括大容量电容器
。
这表明
：
caps_40
是独立电容器
的数量
，
它由
40
个印制板电容器构成
在全瞬时电流下
，
电阻器的电阻值给出预期的
VRM
电压下垂
。
VRM
电感器的大小给
出
VRM
下垂的准确时间常数和合适的
DC
电压降
。
再次声明
，
这个数值不是准确的
，
甚
至不是物理
VRM
模型
，
但是它允许我们进行频域和时域仿真
。
在
VRM
电感器的远端,
利用理想电压源
，
可以设置
PDN
电压
。
使用这个模型进行仿真
，
在低于大容量电容器串
联谐振频率
，
或者时域仿真长于几个微秒时
，
这是不准确的
。
图
10-28
所示为对改进的
VRM
模型加上
40
个印制板电容器的频域仿真
。
低于
1MHz
的阻抗曲线已经改变
，
但是高于
1MHz
时显示稍微有差别
；
这使我们可在频带内和电源完
整性工程师最关心的时间窗口上
，
连续对
PDN
仿真
，
在这个时间窗口上不要被不现实的
SMPS
阻抗峰中断
。
40
个印制板电容器的
Bandini
山峰的
Zpeak
=
74m
。
，
Z°=26m
。
。
q
因子为
74/26
=
2.
85
。
占优势的峰值仍旧是
Bandini
山峰
，
它值得最大的关注
。