电源传输网络101 (第二章)

正如我在本系列的第一章中所述,我们在设计电源传输网络(PDN)时面临许多挑战,PDN提供平滑的供电条件,以避免系统中出现压降和过冲的负面情况。这里我们将研究PDN的不同组成部分来了解它们的具体作用。

电源传输网络不仅限于芯片,外部组件(即封装和印刷电路板(PCB))也起着至关重要的作用。图1显示了PDN非常简单的表示电路包括芯片,封装和PCB

图1:系统级电源传输网络—包含了芯片,封装和PCB的等效电路,每个部分都有各自的寄生元件。这些寄生元件是电路不理想的根本原因。

芯片,可大致看成与电容器串联的电流源模型。电流源为开关晶体管,电容器为芯片上实例化的不开关晶体管和其他精密解耦电容器。它们作为本地的高带宽电荷库,可满足电流需求的突然变化,从而滤除电源轨上的噪声。从电源传输的角度来看,芯片上的解耦电容(decaps)总是越多越好。

然而,它们不是免费的资源,会对泄漏功率和芯片产量产生影响。因此,在电量耗尽之前,它们只能提供有限的电量,而当前的需求必须由电源网络下游更大的电容器来满足(芯片外的,并在封装或PCB上实例化)

这些片外电容器具有数量级更高的电荷存储能力。另一方面,它们也受到寄生电阻和寄生电感的限制。在等效电路模型(1)中,这些分离的电容由其有效串联电阻(ESR)和有效串联电感(ESL)表示。通常情况下,与PCB封装电路相比,虽然封装电路的电荷存储容量较低,但寄生率较低。

从中学物理开始,您可能还记得电容在高频下实际上是短路的。另一种说明方式是,在高频下,可以容易地从电容获得电流。但是,这些分立decapESL组件限制了其高频性能。事实上,在大于其“自共振频率”的频率上,由电容产生的电流正好被ESL的电流阻抗能力所平衡,decap的性能几乎完全由ESL控制。换句话说,芯片外的decaps在高频率下表现得像电感器一样有效!PCB和封装上的电源线走线也增加了额外的感应寄生,限制了高频下分离的decaps的功效。

在图1中,PDN的等效电路模型具有多个LC谐振电路。例如,模片区电容(CDIE)与封装decapsESL形成一个LC谐振。而在图二中,从模片区看PDN,频域响应在频率上有多个阻抗峰值,对应于LC谐振电路的共振。


                                图2:PDN的频域响应显示了在谐振频率处的阻抗峰值。

最高的阻抗峰值是产生于在模片区电容和封装电感的共振。这通常称为“一阶共振频率”,通常在50MHz-150MHz之间。二阶和三阶共振频率处于较低的频率,通常分别在1MHz和10MHz(二阶共振)和10KHz(三阶共振)之间的范围内。

一阶共振频率处的最高阻抗峰值也表现在PDN的时域响应中。当PDN被电流的突然增加(也称为“阶跃激励”)激发时,它会在PDN中引起明显的振荡。阶跃激发可能是由于CPU的切换活动的突然变化,例如分支的错误预测。如图3所示,在一阶共振频率处观察到最大幅度的振荡,而对应于二阶和三阶共振频率的频率较低。

            图3:PDN的时域响应显示了不同的谐振频率

一阶共振频率对系统防护带的应力最大。因此,在ARM的研究中,我们投入了大量的精力直接和间接地观察电源轨噪声。我将在本系列的最后一章进一步讨论我们在这方面的努力。

作者:Shidhartha Das
翻译:Khorina
原文链接:https://community.arm.com/developer/research/b/articles/posts/power-delivery-networks-101

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