前面幾篇文章大概介紹了一下直流電源分布網絡,這一節我想通過對直流電源PDN網絡模型的分析來讓大家了解一下直流電源PDN網絡的一些特點.
最簡化模型分析最初的芯片功能相對來說比較簡單,運行的頻率也比較低,所以也很少出現直流電源完整性問題.當時的工程師也很少考慮直流電源完整性相關的直流電源設計.我們可以使用下圖所示的直流電源PDN網絡模型來分析早期比較簡單的芯片.
直流電源PDN網絡模型可以看到早期的芯片,并沒有在封裝上直流電源設計去耦電容.在這個模型中,die包含寄生電阻R_{die}和寄生電容C_{die},封裝包含了寄生電感L_{pkg}.同時直流電源PCB上也沒有直流電源設計去耦電容以及直流電源平面.這是一個典型的平行諧振直流電源電路,并行諧振直流電源電路存在并行諧振點.下圖顯示了從上圖的測試點看到的直流電源阻抗曲線.
直流電源阻抗曲線通過如下公式我們可以計算諧振頻率.
上圖同時顯示了諧振頻率與電感的關系.圖中曲線A是在R_{直流電源PCB}和L_{直流電源PCB}都為0時的直流電源阻抗曲線,此時的并行諧振頻率為F1.這個例子展示的是完全理想的直流電源PCB,沒有任何的寄生參數.
圖中曲線B是表征了在比較低的直流電源PCB寄生參數情況下的直流電源阻抗曲線,此時的并行諧振頻率為F2.此時直流電源PCB有比較低的寄生電感和寄生電阻.從圖中可以看出,直流電源阻抗的峰值向左(低頻)移動,同時峰值的幅度也有所增大.增加的直流電源PCB寄生電阻使得整個直流電源阻抗曲線都向上移動.
圖中曲線C表征的是高直流電源PCB寄生參數時的直流電源阻抗曲線,此時直流電源PCB有比較高的寄生電感和寄生電阻.此時的直流電源阻抗峰值向更加低頻方向移動,而且峰值幅度進一步提高.整個曲線的直流電源阻抗也得到了提高.
添加直流電源PCB上電容模型分析隨著芯片功能越來越復雜,需要消耗越來越多的直流電源電流,同時芯片的運行頻率也不斷的提高,在一些直流電源系統中,工程師開始在直流電源PCB上添加去耦電容.當直流電源PDN網絡中添加直流電源PCB上去耦電容以后,直流電源PDN網絡的模型變為如下圖所示.
下圖顯示了從上圖測試點看到的直流電源阻抗曲線.靠右邊的第二個直流電源阻抗峰值是由die上的電容和從die到直流電源PCB的串聯寄生電感相互作用產生的.第一個直流電源阻抗封裝是由直流電源PCB上的去耦電容和直流電源PCB傳播電感之間作用形成的.
上圖顯示了如下三種情況下的仿真結果:
理想直流電源PCB情況下的直流電源阻抗曲線低寄生參數下的直流電源阻抗曲線高寄生參數下的直流電源阻抗曲線這種情況就是我們現在大量采用的wire bond封裝芯片的直流電源分布網絡簡化拓撲圖.通過上面的分析我們可以得到以下幾點結論:
1.由片上電容與die到直流電源PCB這段電感組成了第一個LOOP,這個loop的有一個特征諧振頻率.而這個諧振頻率主要受到片上電容以及die到直流電源PCB的寄生電感的影響.直流電源PCB上的去耦電容數量,大小等對這個諧振頻率影響很小.但是直流電源PCB上的去耦電容的位置會影響到該諧振頻率,我們需要盡量將去耦電容放置到靠近芯片的直流電源管腳的位置,這樣可以減小die與直流電源PCB上去耦電容之間的寄生電感.
2. 直流電源PCB板上電容與直流電源PCB上寄生電感形成第二個LOOP,這個LOOP的諧振頻率受到芯片直流電源管腳附近的去耦電容容值,以及去耦電容與VRM之間傳輸通道的寄生電感影響.
2.諧振頻率點的左側主要表現為容性特性,右側主要變現為感性特性.也就是說如果增加去耦電容,諧振頻率會變高.如果寄生電感變大,則諧振頻率會變低.
添加封裝上電容模型分析隨著芯片瞬態直流電源電流的不斷增大,我們需要進一步降低直流電源PDN網絡的直流電源阻抗.但是根據前面的分析,die與直流電源PCB之間的電感無法做到足夠低響很小,這時很多公司在封裝上添加去耦電容,將第一個比較大的LOOP分割成2個較小的LOOP.這樣使得第一個LOOP減小,LOOP1的寄生電感大幅減小,這樣會使得第一個諧振頻率向高頻移動,同時會降低諧振頻率附近的直流電源阻抗.
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