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详解直流电源完整性(五)-PDN的模型

文章来源:稳压电源公司,时间:2017-09-12 09:47    点击量:

    前面几篇文章大概介绍了一下直流电源分布网络,这一节我想通过对直流电源PDN网络模型的分析来让大家了解一下直流电源PDN网络的一些特点.

详解直流电源完整性(五)-PDN的模型
    最简化模型分析最初的芯片功能相对来说比较简单,运行的频率也比较低,所以也很少出现直流电源完整性问题.当时的工程师也很少考虑直流电源完整性相关的直流电源设计.我们可以使用下图所示的直流电源PDN网络模型来分析早期比较简单的芯片.

    直流电源PDN网络模型可以看到早期的芯片,并没有在封装上直流电源设计去耦电容.在这个模型中,die包含寄生电阻R_{die}和寄生电容C_{die},封装包含了寄生电感L_{pkg}.同时直流电源PCB上也没有直流电源设计去耦电容以及直流电源平面.这是一个典型的平行谐振直流电源电路,并行谐振直流电源电路存在并行谐振点.下图显示了从上图的测试点看到的直流电源阻抗曲线.

    直流电源阻抗曲线通过如下公式我们可以计算谐振频率.

    上图同时显示了谐振频率与电感的关系.图中曲线A是在R_{直流电源PCB}和L_{直流电源PCB}都为0时的直流电源阻抗曲线,此时的并行谐振频率为F1.这个例子展示的是完全理想的直流电源PCB,没有任何的寄生参数.

    图中曲线B是表征了在比较低的直流电源PCB寄生参数情况下的直流电源阻抗曲线,此时的并行谐振频率为F2.此时直流电源PCB有比较低的寄生电感和寄生电阻.从图中可以看出,直流电源阻抗的峰值向左(低频)移动,同时峰值的幅度也有所增大.增加的直流电源PCB寄生电阻使得整个直流电源阻抗曲线都向上移动.

    图中曲线C表征的是高直流电源PCB寄生参数时的直流电源阻抗曲线,此时直流电源PCB有比较高的寄生电感和寄生电阻.此时的直流电源阻抗峰值向更加低频方向移动,而且峰值幅度进一步提高.整个曲线的直流电源阻抗也得到了提高.

    添加直流电源PCB上电容模型分析随着芯片功能越来越复杂,需要消耗越来越多的直流电源电流,同时芯片的运行频率也不断的提高,在一些直流电源系统中,工程师开始在直流电源PCB上添加去耦电容.当直流电源PDN网络中添加直流电源PCB上去耦电容以后,直流电源PDN网络的模型变为如下图所示.

    下图显示了从上图测试点看到的直流电源阻抗曲线.靠右边的第二个直流电源阻抗峰值是由die上的电容和从die到直流电源PCB的串联寄生电感相互作用产生的.第一个直流电源阻抗封装是由直流电源PCB上的去耦电容和直流电源PCB传播电感之间作用形成的.

    上图显示了如下三种情况下的仿真结果:

    理想直流电源PCB情况下的直流电源阻抗曲线低寄生参数下的直流电源阻抗曲线高寄生参数下的直流电源阻抗曲线这种情况就是我们现在大量采用的wire bond封装芯片的直流电源分布网络简化拓扑图.通过上面的分析我们可以得到以下几点结论:

    1.由片上电容与die到直流电源PCB这段电感组成了第一个LOOP,这个loop的有一个特征谐振频率.而这个谐振频率主要受到片上电容以及die到直流电源PCB的寄生电感的影响.直流电源PCB上的去耦电容数量,大小等对这个谐振频率影响很小.但是直流电源PCB上的去耦电容的位置会影响到该谐振频率,我们需要尽量将去耦电容放置到靠近芯片的直流电源管脚的位置,这样可以减小die与直流电源PCB上去耦电容之间的寄生电感.

    2. 直流电源PCB板上电容与直流电源PCB上寄生电感形成第二个LOOP,这个LOOP的谐振频率受到芯片直流电源管脚附近的去耦电容容值,以及去耦电容与VRM之间传输通道的寄生电感影响.

    2.谐振频率点的左侧主要表现为容性特性,右侧主要变现为感性特性.也就是说如果增加去耦电容,谐振频率会变高.如果寄生电感变大,则谐振频率会变低.

    添加封装上电容模型分析随着芯片瞬态直流电源电流的不断增大,我们需要进一步降低直流电源PDN网络的直流电源阻抗.但是根据前面的分析,die与直流电源PCB之间的电感无法做到足够低响很小,这时很多公司在封装上添加去耦电容,将第一个比较大的LOOP分割成2个较小的LOOP.这样使得第一个LOOP减小,LOOP1的寄生电感大幅减小,这样会使得第一个谐振频率向高频移动,同时会降低谐振频率附近的直流电源阻抗.

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