兩種用ADS仿真PDN阻抗的方法

PDN阻抗是從負(fù)載端看過(guò)去的電源分配網(wǎng)絡(luò)的阻抗，PDN阻抗要小于目標(biāo)阻抗，這些概念對(duì)于做電源完整性的人來(lái)說(shuō)再熟悉不過(guò)了，網(wǎng)上也有大量的文檔介紹，但是很多概念說(shuō)得很模糊。 目標(biāo)阻抗通常的表達(dá)式如下：

公式中，Imax表示什么？ 為什么需要乘以50%？

1、Imax是什么意思？

首先，需要知道一個(gè)概念，一個(gè)MOS管的開(kāi)關(guān)損耗是和該MOS管的開(kāi)關(guān)頻率成正比的，一個(gè)芯片是由成千上萬(wàn)的MOS管組成的，芯片工作在不同的模式或者說(shuō)業(yè)務(wù)情況，芯片中的MOS管使能的數(shù)量和開(kāi)關(guān)頻率是不同的。 在滿業(yè)務(wù)加超頻的模式下芯片的功耗是最大的，此時(shí)也就最費(fèi)電。 功率P=電壓*電流，芯片的供電電壓時(shí)恒定的，功耗越大也就是說(shuō)芯片需要的電流就越大。 滿業(yè)務(wù)加超頻時(shí)的電流就是這個(gè)Imax。

2、為什么需要乘以50%？

如果電源一直以Imax這個(gè)電流給負(fù)載芯片供電，就不會(huì)有電壓噪聲，但不幸的是，成千上萬(wàn)的MOS管一會(huì)這個(gè)enable，一會(huì)那個(gè)powerdown，一直在變化。 也就導(dǎo)致了負(fù)載芯片需要的電流一直在變化。 到底變化多大呢？ 不同的芯片，變化量也不一樣。 目標(biāo)阻抗的定義是允許的電壓噪聲除以這個(gè)變化量。 50%只是一個(gè)假設(shè)，而不是一個(gè)有意義的量。 舉個(gè)例子，一個(gè)芯片，最大電流是30A（也許只有1%的時(shí)間芯片在這種情況下工作），芯片的電流動(dòng)態(tài)范圍為30*50%=15A，也就是說(shuō)可能芯片電流在大多數(shù)情況下從10A到25A這個(gè)量級(jí)內(nèi)不斷變化。

3、兩種用ADS仿真PDN阻抗的方法

①、S參數(shù)仿真

建立如上所示電路原理圖，其中板級(jí)分布電阻和分布電感為3mohm，和0.32nH，濾波電容的容值為100uF，寄生電感1nH，寄生阻抗10mohm；片上電容800nF。 通過(guò)S參數(shù)仿真可以得到Z參數(shù)，Z11就是我們要求的PDN阻抗。 仿真結(jié)果如下，從圖中可以看出在11MHz時(shí)由于片上電容和板級(jí)濾波電容的寄生電感產(chǎn)生的反諧振點(diǎn)，這個(gè)反諧振點(diǎn)導(dǎo)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?yàn)樨?fù)載為一個(gè)1A的電流源。

仿真結(jié)果如下，曲線和用S參數(shù)得到的基本相同，但是諧振點(diǎn)的幅值還是有略微的差別。

4、時(shí)域仿真

從上面的PDN阻抗來(lái)看，1MHz以內(nèi)，阻抗很低，也就是表示在1MHz以內(nèi)即使電流波動(dòng)范圍很大，也不會(huì)產(chǎn)生很大的噪聲。 但是同樣波動(dòng)范圍的電流在10MHz時(shí)就會(huì)產(chǎn)生很大的電壓噪聲。 我們通過(guò)時(shí)域仿真模擬下這個(gè)現(xiàn)象。 建立仿真模型如下：

電流動(dòng)態(tài)范圍10A-15A，頻率1MHz

電壓噪聲小

電流動(dòng)態(tài)范圍10A-15A，頻率10MHz

電壓噪聲大

同時(shí)，我們也可以計(jì)算出，當(dāng)動(dòng)態(tài)電流為5A時(shí)的目標(biāo)阻抗=2*5%/5 = 20mohm。 從上面得到的PDN阻抗曲線可以看出，當(dāng)頻率為10MHz時(shí)，阻抗已經(jīng)遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于20mohm。