ADS仿真PDN阻抗的两种方法:提升电源完整性设计精度与效率
电路一点通 2023-11-24

PDN阻抗是从负载端看过去的电源分配网络的阻抗,PDN阻抗要小于目标阻抗,这些概念对于做电源完整性的人来说再熟悉不过了,网上也有大量的文档介绍,但是很多概念说得很模糊。目标阻抗通常的表达式如下:

公式中,Imax表示什么?为什么需要乘以50%?
1、Imax是什么意思?首先,需要知道一个概念,一个MOS管的开关损耗是和该MOS管的开关频率成正比的,一个芯片是由成千上万的MOS管组成的,芯片工作在不同的模式或者说业务情况,芯片中的MOS管使能的数量和开关频率是不同的。在满业务加超频的模式下芯片的功耗是最大的,此时也就最费电。功率P=电压*电流,芯片的供电电压时恒定的,功耗越大也就是说芯片需要的电流就越大。满业务加超频时的电流就是这个Imax。2、为什么需要乘以50%?如果电源一直以Imax这个电流给负载芯片供电,就不会有电压噪声,但不幸的是,成千上万的MOS管一会这个enable,一会那个powerdown,一直在变化。也就导致了负载芯片需要的电流一直在变化。到底变化多大呢?不同的芯片,变化量也不一样。目标阻抗的定义是允许的电压噪声除以这个变化量。50%只是一个假设,而不是一个有意义的量。举个例子,一个芯片,最大电流是30A(也许只有1%的时间芯片在这种情况下工作),芯片的电流动态范围为30*50%=15A,也就是说可能芯片电流在大多数情况下从10A到25A这个量级内不断变化。3、两种用ADS仿真PDN阻抗的方法①、S参数仿真建立如上所示电路原理图,其中板级分布电阻和分布电感为3mohm,和0.32nH,滤波电容的容值为100uF,寄生电感1nH,寄生阻抗10mohm;片上电容800nF。通过S参数仿真可以得到Z参数,Z11就是我们要求的PDN阻抗。仿真结果如下,从图中可以看出在11MHz时由于片上电容和板级滤波电容的寄生电感产生的反谐振点,这个反谐振点导致PDN阻抗大大增加。②、AC仿真建立如下仿真模型,Vout就是PND阻抗,因为负载为一个1A的电流源。仿真结果如下,曲线和用S参数得到的基本相同,但是谐振点的幅值还是有略微的差别。4、时域仿真从上面的PDN阻抗来看,1MHz以内,阻抗很低,也就是表示在1MHz以内即使电流波动范围很大,也不会产生很大的噪声。但是同样波动范围的电流在10MHz时就会产生很大的电压噪声。我们通过时域仿真模拟下这个现象。建立仿真模型如下:电流动态范围10A-15A,频率1MHz电压噪声小电流动态范围10A-15A,频率10MHz电压噪声大同时,我们也可以计算出,当动态电流为5A时的目标阻抗=2*5%/5 = 20mohm。从上面得到的PDN阻抗曲线可以看出,当频率为10MHz时,阻抗已经远远大于20mohm。


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