PDN设计之电源完整性 (史密斯).pdf - 第7页
VI 不 需要 像 I/O 一 样 传 输 出 芯片 。 由 核心有源 部 分 引 起的瞬 时 电 流 会 在 Vdd “ 轨 ” 上产 生 噪 声 ， 有时定 义 它 为 “ 自 我攻 击减 小 这 个 问题 影 响 的 原 理 、 分 析方法 和 推 荐的设计 也 能 应 用 于其他 信号 完整性 、 电 源完整性 和 EMI 的问题 ， 但 本 书 的 焦点是 Vdd “ 轨 ” 上 的自 我 攻 击 。 其他 电 源完整性或 信…
Preface
I
前言
本书焦点
电子工业中的电源完整性问题是一个容易混淆的课题
—
—
部分原因是不能很好地定义
和涉及的问题太广泛
，
每个问题都有一套属于自己的根本原因和解决方案
。
这里有一个普
遍的共识是
：
电源完整性领域包括从电压调整模块
（
VRM
）
到片上核心电源
“
轨
”
以及片上
电容
。
VRM
与芯片之间是封装和印制板上的相互连接
，
封装和印制板常常载有分立式电容
器
，
这些电容器有与之有关的安装电感
。
电源分配网络
（
PDN
）
是指在
VRM
和片上-匕,
电源
“
轨
”
之间的所有相互连接
（
通常是感性的
）
，
以及储能元件
（
通常是容性的
）
和损耗机构
（
阻尼
）
。
电源完整性是指从芯片看向电路的所有有关的电源特性
。
信号通过空腔
，
在印制
板和地平面上会产生什么噪声
？
这是信号完整性问题还是电源完整性问题
？
由
I/O
开
关电源产生的电压噪声是片上
V
”
和匕
s
电源
“
轨
”
完整性问题还是信号完整性问题
？
最
终连接到
VRM
并通过公共封装电感进入的电流产生的这个噪声有时称为开关噪声或
“
地跳动
”
。
信号和电源完整性之间的灰色区域对解决电源完整性具有深远的影响
。
在印制板上加
上去耦电容常常能解决
Kd
核心噪声
，
但是这很少能改善由宽带信号感应的空腔噪声
。
一
般情况下
，
印制板上的电容器很少或不能改善回路平面的跳动噪声
。
在一些情况下
，
产生
的并联谐振实际上可能会增加空腔与信号的交调
。
解决问题的第一步是清晰地确定问题
，
然后正确地识别出根本原因
。
一个准确定义的
问题常常只要几步就可求解
。
对问题高效率求解的前提是基于问题的实际根本原因
。
本书聚焦于与％
d
“
轨
”
上噪声有关的特殊的电源完整性问题
，
Kd
“
轨
”
给片上核心逻
辑供电
，
使其执行相关功能
。
由片上匕^
“
轨
”
开关信号供电的门与片上其他门进行通信,
VI
不需要像
I/O
一样传输出芯片
。
由核心有源部分引起的瞬时电流会在
Vdd
“
轨
”
上产生噪
声
，
有时定义它为
“
自我攻击减小这个问题影响的原理
、
分析方法和推荐的设计也能
应用
于其他
信号完整性
、
电源完整性和
EMI
的问题
，
但本书的焦点是
Vdd
“
轨
”
上的自我
攻击
。
其他电源完整性或信号完整性问题及其解决方法
术语
“
电源完整性
”
太复杂
，
无法解决一般设计中的所有问题
。
相反
，
我们需要清楚地
识别设法要解决的
特殊问
题以及对每个特殊问题的最好设计实践
。
完整系统设计中的一些次要问题有时也归类为电源完整性问题
。
•
由
I/O
开关
、
地弹跳在匕
。
-匕
s
轨上引起的噪声和开关噪声
：
匕
c
轨上的自我攻击
。
•
负载
阻抗的改变在
VRM
上引起的噪声
：
VRM
的自我攻击
。
•
信号通过不连续的返回路径引起的信号失真
：
信号路径的自我攻击
。
・
来自供电轨和
传输到
VRM
的噪声
，
以及板级
PDN
互连上的污染
。
•
在封装上的电压噪声和来自所有源的板级
PDN
互连之间的交调
，
耦合到
Vdd
轨上
。
•
在封装上的电
压噪声
和来自所有源的板级
PDN
互连之间的交调
，
耦合到
I/O
电源
轨上
。
•
在封装上的电
压噪声
和板级
PDN
互连之间的交调
，
以及耦合到
PDN
的一个信号
。
这些问题中的每一个都有不同的根源
，
为减小其影响有最好的不同系列的设计实践
。
这些课题有
些属于信号完整性
，
有些属于电源完整性
。
为了避免大家认为所
有电源
完整性问题是相同的
（
一组解应用于所有问题
）
，
工程师和
设计者
应该习惯仔细地描述寻找到的问题而不是使用电源完整性或信号完整性这种大标题
来说明
。
印
刷品
、
参考文献可提供大量的
PDN
设计建议
。
盲目地跟随其中的任何一个都是危
险的
。
不幸的是
，
很多建议要么是错误的
，
要么是自相矛盾的
。
部分原因是它们仅面向
上述问题之一
，
而且不正确地将这些建议广泛用于解决所有的电源完整性问题
。
明确问
题的特殊性
、
根本
原因
，
才能找出最好的设计实践
。
鲁棒性
PDN
设计面对的挑战
低劣的
PDN
设计会导
致产品
失败
。
诊断
PDN
失败的原因是很困难的
，
因为它
们很难
重现
。
有时
，
失败原因是由一系特殊问题的微码组合引起的
，
这造成考核
PDN
质量困难
。
PDN
设计中必须考虑鲁棒性
。
除了
低阻抗
VRM
以外
，
有些印制板的
PDN
实际上只要求鲁棒性
。
其他
PDN
可能要
求电容数值的特
殊组合并且要
安装在特殊的
位置
，
然后仅对鲁棒性提出一定限制
。
vn
每个
PDN
都是唯一的
，
有自己的内情
。
每一个都有自己的功能要求
、
芯片特征
、
微
码和价格上的设计约束
、
性能
、
风险和研究周期
。
仅遵循其他人认为最好的设计原理来有
效地设计鲁棒性
PDN
是很困难的
，
一个坚实的设计方法起着重要的作用
。
在任何工程领域中
，
对包括电源完整性在内的很多问题的共同回答是
“
…
…
视情况而
定
”
，
回答
“
……
视情况而定
”
的仅有方法是清楚地定义这个问题
，
然后对这个特殊问题进
行分析
，
找出根源和不同的解法
。
开始就准确高概率地进入
PDN
的最有效的设计过程
（
和多数高性能产品设计方法
）
是
基于
4
个元素的
。
•
从建立最好的设计实践开始
•
理解信号与相互连接彼此作用的基本原理
—
—
麦克斯韦方程的基本应用原理
•
识别需避免的共同问题和它们的根源
•
对于每个特殊的产品详情和限制
，
使用有效探索设计领域的举足轻重的设计工具,
找到适宜的价格一性能一风险一研发周期之间的折中
。
很多课题的目标是在可接受的价格
、
风险和周期内
，
找到满足性能目标的可接受设计
。
本书为实现电源完整性工程提供坚实的理论基础
，
识别在
PDN
设计中所遇共同问题
的根源
，
遵循这个最好的设计实践并且执行工程折中分析来平衡价格
、
性能
、
周期和风险
。
本书的对象
本书减少了数学上的形式主义
，
揭示了电源完整性背后重要的工程原理
。
如果需要详
细的数学推导和复杂的数值仿真
，
那么请参考其他的书
。
这并不是说数学上的严密不重要
—
—
每个电子工程专业的学生应该都知道
。
作为实际
工程
，
能应用这些原理来解决实际问题比从麦克斯韦方程中推导出每一个详情更加重要
。
本书是以为高性能系统特殊设计的一套方法作为基础
，
以建立最好的设计原理为起
点
。
每一个设计都是特定的
，
都有自己的故事
、
系统性能目标和价格
、
风险和周期限制
。
这意味着你不能盲目地跟随每一个设计指南
，
而必须有自己的判断
。
这并不意味着要夺取你的
3D
全波仿真器和对每一件事情的仿真
。
这种做法将是一种
难以置信且无效的过程
，
不能保证会成功地转换为一种可接受的答案
。
工程判断的基础是理解基本原理
—
—
这是麦克斯韦方程的实际应用
—
—
确定需避免的
问题和根源
，
确认分析工具来有效地探索设计区域并找到可接受的答案
。
对于应用一套方
法来设计鲁棒性
PDN
系统来说
，
本书是指导方针
。
两位作者在信号和电源完整性领域有着
70
年以上的工程经验
，
在本书中提取出以电源
完整性作为基础的最重要的工程原理
。