PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第441页
第 10 章 PDN 设计的 实 用 方法 425 Ks 感 触结 构 位于 小 球 、 通 孔 和 泵 的 校核 印制 板 一侧 ， 其中 泵 能 使 电 流 进 出 核心 负载 。 封 装 和印制 板 通 孔 的 感 触结 构 类 似于 Vdd 和 Vss 的 感 触结 构 。 在测 量设置 中 的 一些 点 上 ， Ks 必 须 从 Vdd 中减去 。 如果 Vdd 和 Ks 的 感 触结 构是 相 对 于 印制 板 的 地 而 …
424
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
10.
21
测量中的
PDN
特征的逆向工程
在本节
，
我们利用在
PRC
电子数据表中的介绍原理
，
协力逆向管理来自测量的瞬态响
应的
Altera
测试芯片的特性
。
可测量
Altera
FPGA
测试芯片的数据
，
并首先发表
Custom
Integrated
Conference
和
DesignCon
Conference^
3-4
^
。
FPGA
被配置以切换为很多逻辑电路
，
在每个时钟周期拉出的是恒定电流
。
虽然不同
节点的电压测量是众所周知的
，
PDN
参数的详细信息不再有用
，
但是使用测量数据逆向管
理
PDN
特性时
，
PDN
的硬件必须已经产生测量数据
。
仿真的逆向管理
PDN
参数与测量数
据匹配得很好
。
提示
正如本书从头到尾指出的那样
，
PDN
阻抗
、
瞬时电流曲线和在
PDN
节点上测量
的瞬时电压响应
，
都是相互关联的
。
知道任意两个可抽取第三个
。
我们可使用
这个强有力的技术
，
逆向管理
PDN
的重要特性
。
基于设计阶段的分析
，
当测量的
PDN
波形行为没有预期那么好时
，
你也可以使用这
个技术去判断和确认根源
。
PDN
测量需要的固定设备涉及要进入封装的感触线
，
它们靠近芯片的泵
。
对
Bandini
山阻抗峰值很重要的电容是在芯片上的
。
回路电感关联到芯片泵
、
封装平面
、
通孔和小
球
，
以及延伸到印制板通孔
、
电源平面和安装电容器
。
片上电容和封装泵回路电感在本质
上是与片上电路负载并联的
。
当芯片拉出这些电流时
，
会产生脉冲
、
阶跃和谐振响应
。
这
就是使用片上电容
、
封装/印制板电感和电阻的典型的
PDN,
正如图
10
-
39
描绘的那样
。
图
10-39
FPGA
PDN
测量需要的固定设备
。
与
Bandini
山阻抗峰值关联的电容是在芯片上面
。
电源路径的回路电感涉及芯片泵
、
封装平面
、
通孔和小球
、
印制板通孔
、
平面和安
装电容器
。
在观念上
，
PDN
电压使用通常的
50
。
阻抗
，
这个路径的芯片不能负载
PDN
电流
为了保证
PDN
电压感触线不接触负载
PDN
电流结构
，
直到非常靠近芯片的时候
，
这
一点非常重要
。
这形成了讨论在第
3
章的四点
“
开尔文探针
”
。
微码和对芯片的功能性关断
强迫电流通过
PDN
。
非电流负载结构用于芯片测量
，
并且感触电压
。
非常小的
PDN
电流
通过电压感触回路
，
因为在这个范围下端口有相当高的
50
。
的电阻
。
这种情况下
，
Vdd
和
第
10
章
PDN
设计的实用方法
425
Ks
感触结构位于小球
、
通孔和泵的校核印制板一侧
，
其中泵能使电流进出核心负载
。封装
和印制板通孔的感触结构类似于
Vdd
和
Vss
的感触结构
。
在测量设置中的一些点上
，
Ks
必须从
Vdd
中减去
。
如果
Vdd
和
Ks
的感触结构是相对于
印制板的地而测量的
，
那么随着芯片上的电源电压的倒塌
，
Vdd
是初始的下垂
，
Vss
应该是
初始的峰值
。
因为感触结构是以
Vdd
和
Vss
为参考的
，
所以这会发生
。
如果
Vdd
和
Ks
感触结构都以
Ks
为参考
，
则仅
Vdd
感触线显示噪声
。
相反
，
如果二者的
感触结构都以
Vdd
为参考
，
则仅
Ks
感触线显示噪声
。
这是电压和电感矩阵非唯一性的物理
例子⑸
。
因为在回路电感
，
所以
PDN
系统的表现就是这个样子
。
PDN
Vdd
和
Vss
结构中的
部分电感不是唯一的
，
但
Vdd
和
Ks
感触电压是唯一的
。
这个性质的所有
PDN
测量涉及不同性质的
Vdd
和
Vss
感触结构
，
无论如何它们都同样
影响附近的回路或者参考结构
。
仅回路电感是唯一的
，
K
m
—
Vss
的差是唯一的
。
测量
Vdd
—
Vss
的最直接方法是在仪器上相减
。
用示波器操作这个很好
，
用频谱分析仪
则有麻烦
。
我们能用
50
。
印制板迹线附加在印制板感触结构上
，
把
Vdd
和
Ks
迹线引入到印
制板上的测量焊盘中
，
它们位于离开
DUT
几英寸的很方便的位置
。
可使用
SMA
连接器连
接印制板迹线到
50
。
电缆上
，
使用示波器的
50
。
端口
，
以防止传输线振铃
。
来自
DUT
的
所有波形被示波器端口吸收
，
没有反射回到
DUT
。
可使用示波器以从
K
m
感触结构中减去
Xs
感触结构(的电压)
，
并在芯片上给出适当的表示
。
在
DUT
上
，
存在严重的阻抗失配
，
与
PDN
具有的几毫欧电阻相比较的是测量环境有
50
。
的电阻
。
这还是好的
，
因为测量结构比
DUT
的阻抗高大约
1000
倍
。
使用高阻抗探针是不必要的
，
事实上已经给出了方法
。
描绘的测量系统是阻抗匹配
的
，
并在示波器上有很好的端口
。
因为
PDN
感触结构以印制板和封装侧边的
Vdd
和
Vss
结
构为参考
，
所以预计在
Vdd
和
Xs
感触线上面有相同数量的
PDN
噪声
，
但是极性相反
。
在
这种结构中
，
我们使用示波器
，
从
Vdd
感触线上减去
Ks
感触线上的值
，
从而得到芯片上准
确的电压描绘
。
电缆和印制板迹线必须有相同的长度
。
另外一种更加方便的方法是利用传输线减法
，
从
Vdd
感触线上的值减去
Vss
感触线上
的
。
我们连接
Vdd
到同轴电缆的内导体
，
将
Vss
连接到外导体
。
不存在
DC
问题
，
因为示波
器的地和芯片端的
Ks
感触线都是零电压
。
可是
，
在
Ks
感触结构上的
AC
电压波形与
Vdd
感触结构相比较时
，
它是相反极性且幅度未知的
。
Vdd
感触结构和
Xs
感触结构之间的电压差进入
50
。
的同轴线
，
完成了
Vdd
和
Xs
之间的
电压差值计算
。
在仪器中
，
必须端接
50
。
的同轴线
。
传输线减法适用于频谱分析仪和示波
器
。
图
10-39
所示的核心感触线就被设置为传输线减法
。
PCB
感触线是相对于印制板地的
。
当我们使用传输线减法时
，
传递进入
50c
同轴线的感触结构必须有短的电长度
，
这意味着
它是感兴趣的最高频率波长的一小部分
。
当使用
50
。
测量环境时
，
主要的误差来源是探针电阻
。
探针与
50
。
示波器端口形成分
压器
。
如果插口接触或者芯片层面金属有
2
。
的回路电阻
，
则示波器测量将会有
4%
的衰减
误差
，
这是因为有电阻分压器
。
通常
，
如果感应线是去接触封装边上的
PDN
金属凸块
，
而
不是使用管芯上具有明显的再分布层
(RDL)
金属电阻的专用凸块
，
则其感应效果会更好
。
426
PDN
设计之电源完整性
：
高速数字产品的鲁棒和高效设计
表
10-16
所示为
FPGA
测量数据的总结
，
它也可以使用图
10-42
、
图
10-44
和图
10-45
来进行图形表示
。
表
10
・
16
Altera
测试芯片上测量的重要特性的总结
FPGA
PDN
例子
测量 输入 单位
1
1.
1
1.
1
V
2
泄漏电流
3
3
A
3
266MHz
时的总电流
11
11
A
4
533MHz
时的总电流
19
19
A
5
/clock
533
533
MHz
6
时钟边缘噪声
（
脉冲响应
）
105
105
mV
7
谐振频率
33
33
MHz
8
100ns的印制板上的下垂
，
/
clk
=
266MHz
30
30
mV
在
3
个时钟条件下
，
测量的工作台电源电压和工作台电流
：
•
没有时钟的泄漏电流
3A
（
第
2
行
）
•
266MHz
时钟下
，
总的
DC
电流是
11A
（
第
3
行
）
•
533MHz
时钟下
，
总的DC
电流是
19A
（
第
4
行
）
正常情况下
，
时钟是
533MHz,
所以我们知道动态电流脉冲在小于
2ns
内完成
。
第
6
行显示时钟边缘噪声为
105mV
。
时钟缓慢下来
，
也许这是在
10MHz
时测量的
。
单个时钟
边缘的脉冲响应用于估算
Bandini
山谐振频率
（
33MHz
）
,
正如在第
7
行显示
。
阻尼正弦波
模式间的时间周期用于确定谐振频率
。
最终
，
第
8
行显示了在电流阶跃
100ns
后测量的电压下垂为
30mV
。
对于
PDN
属性和
开发仿真波形与测量波形进行比较来说
，
这几乎是我们需要搞明白的每一件事情
。
利用前面的测量数据
，
我们计算
PDN
的主要特性
，
并总结在表中
。
表
10-17
基于测量的瞬时电流特性
，
抽取值的
PDN
总结
FPGA
例子
计算数值
单位
9
在
266MHz
时的动态电流
8
A
10
在
533MHz
时的动态电流
16
A
11
每个时钟周期的电荷
（
g
c
ycle
）
30
nC
12
开关电容
27
nF
13
不是开关电容
286
nF
14
片上电容
313
nF
15
开关因子
9%
一
16
PDN
回路电感
74
pH
17
PDN
Z
o
15.4
mH
18
印制板回路电阻
3.
75
mfl
19
小球/插口电阻
—
m
。
20
泵回路电阻
4.
35
m
。