本书焦点
电子工业中的电源完整性问题是一个容易混淆的课题——部分原因是不能很好地定义和涉及的问题太广泛,每个问题都有一套属于自己的根本原因和解决方案。这里有一个普遍的共识是:电源完整性领域包括从电压调整模块(VRM)到片上核心电源“轨”以及片上电容。
VRM与芯片之间是封装和印制板上的相互连接,封装和印制板常常载有分立式电容器,这些电容器有与之有关的安装电感。电源分配网络(PDN)是指在VRM和片上VddVss电源“轨”之间的所有相互连接(通常是感性的),以及储能元件(通常是容性的)和损耗机构(阻尼)。
电源完整性是指从芯片看向电路的所有有关的电源特性。信号通过空腔,在印制板和地平面上会产生什么噪声?这是信号完整性问题还是电源完整性问题?由I/O开关电源产生的电压噪声是片上Vcc和Vss电源“轨”完整性问题还是信号完整性问题?最终连接到VRM并通过公共封装电感进入的电流产生的这个噪声有时称为开关噪声或“地跳动”。
信号和电源完整性之间的灰色区域对解决电源完整性具有深远的影响。在印制板上加上去耦电容常常能解决Vdd核心噪声,但是这很少能改善由宽带信号感应的空腔噪声。一般情况下,印制板上的电容器很少或不能改善回路平面的跳动噪声。在一些情况下,产生的并联谐振实际上可能会增加空腔与信号的交调。
解决问题的第一步是清晰地确定问题,然后正确地识别出根本原因。一个准确定义的问题常常只要几步就可求解。对问题高效率求解的前提是基于问题的实际根本原因。
本书聚焦于与Vdd“轨”上噪声有关的特殊的电源完整性问题,Vdd“轨”给片上核心逻辑供电,使其执行相关功能。由片上Vdd“轨”开关信号供电的门与片上其他门进行通信,不需要像I/O一样传输出芯片。由核心有源部分引起的瞬时电流会在Vdd“轨”上产生噪声,有时定义它为“自我攻击”。减小这个问题影响的原理、分析方法和推荐的设计也能应用于其他信号完整性、电源完整性和EMI的问题,但本书的焦点是Vdd“轨”上的自我攻击。
其他电源完整性或信号完整性问题及其解决方法
术语“电源完整性”太复杂,无法解决一般设计中的所有问题。相反,我们需要清楚地识别设法要解决的特殊问题以及对每个特殊问题的最好设计实践。
完整系统设计中的一些次要问题有时也归类为电源完整性问题。
● 由I/O开关、地弹跳在VccVss轨上引起的噪声和开关噪声: Vcc轨上的自我攻击。
● 负载阻抗的改变在VRM上引起的噪声:VRM的自我攻击。
● 信号通过不连续的返回路径引起的信号失真:信号路径的自我攻击。
● 来自供电轨和传输到VRM的噪声,以及板级PDN互连上的污染。
● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级PDN互连之间的交调,耦合到Vdd轨上。
● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级PDN互连之间的交调,耦合到I/O电源轨上。
● 在封装上的电压噪声和板级PDN互连之间的交调,以及耦合到PDN的一个信号。
这些问题中的每一个都有不同的根源,为减小其影响有最好的不同系列的设计实践。这些课题有些属于信号完整性,有些属于电源完整性。
为了避免大家认为所有电源完整性问题是相同的(一组解应用于所有问题),工程师和设计者应该习惯仔细地描述寻找到的问题而不是使用电源完整性或信号完整性这种大标题来说明。
印刷品、参考文献可提供大量的PDN设计建议。盲目地跟随其中的任何一个都是危险的。不幸的是,很多建议要么是错误的,要么是自相矛盾的。部分原因是它们仅面向上述问题之一,而且不正确地将这些建议广泛用于解决所有的电源完整性问题。
. 明确问题的特殊性、根本原因,才能找出最好的设计实践。
鲁棒性PDN设计面对的挑战
低劣的PDN设计会导致产品失败。诊断PDN失败的原因是很困难的,因为它们很难重现。有时,失败原因是由一系特殊问题的微码组合引起的,这造成考核PDN质量困难。PDN设计中必须考虑鲁棒性。
除了低阻抗VRM以外,有些印制板的PDN实际上只要求鲁棒性。其他PDN可能要求电容数值的特殊组合并且要安装在特殊的位置,然后仅对鲁棒性提出一定限制。
每个PDN都是唯一的,有自己的内情。每一个都有自己的功能要求、芯片特征、微码和价格上的设计约束、性能、风险和研究周期。仅遵循其他人认为最好的设计原理来有效地设计鲁棒性PDN是很困难的,一个坚实的设计方法起着重要的作用。
在任何工程领域中,对包括电源完整性在内的很多问题的共同回答是“……视情况而定”,回答“……视情况而定”的仅有方法是清楚地定义这个问题,然后对这个特殊问题进行分析,找出根源和不同的解法。
开始就准确高概率地进入PDN的最有效的设计过程(和多数高性能产品设计方法)是基于4个元素的。
● 从建立最好的设计实践开始
● 理解信号与相互连接彼此作用的基本原理——麦克斯韦方程的基本应用原理
● 识别需避免的共同问题和它们的根源
● 对于每个特殊的产品详情和限制,使用有效探索设计领域的举足轻重的设计工具,找到适宜的价格-性能-风险-研发周期之间的折中。
很多课题的目标是在可接受的价格、风险和周期内,找到满足性能目标的可接受设计。
本书为实现电源完整性工程提供坚实的理论基础,识别在PDN设计中所遇共同问题的根源,遵循这个最好的设计实践并且执行工程折中分析来平衡价格、性能、周期和风险。
本书的对象
本书减少了数学上的形式主义,揭示了电源完整性背后重要的工程原理。如果需要详细的数学推导和复杂的数值仿真,那么请参考其他的书。
这并不是说数学上的严密不重要——每个电子工程专业的学生应该都知道。作为实际工程,能应用这些原理来解决实际问题比从麦克斯韦方程中推导出每一个详情更加重要。
本书是以为高性能系统特殊设计的一套方法作为基础,以建立最好的设计原理为起点。每一个设计都是特定的,都有自己的故事、系统性能目标和价格、风险和周期限制。这意味着你不能盲目地跟随每一个设计指南,而必须有自己的判断。
这并不意味着要夺取你的3D全波仿真器和对每一件事情的仿真。这种做法将是一种难以置信且无效的过程,不能保证会成功地转换为一种可接受的答案。
工程判断的基础是理解基本原理——这是麦克斯韦方程的实际应用——确定需避免的问题和根源,确认分析工具来有效地探索设计区域并找到可接受的答案。对于应用一套方法来设计鲁棒性PDN系统来说,本书是指导方针。
两位作者在信号和电源完整性领域有着70年以上的工程经验,在本书中提取出以电源完整性作为基础的最重要的工程原理。
有足够的数学知识可使一个实践工程师会快速得到一个学习曲线以实现折中分析,并且识别什么是重要的——等价值——什么是不重要的。
使用简略的方程式澄清哪一个项是重要的,以及如何组合它们来影响结果。它们用于更详细地重申原理。当这些方程式加上数字时,它们属于“第一攻击线”。
在可能的地方,我们将举一些简单的例子以说明分析的近似性。在合适的地方,会介绍测试工具的测量和真实系统,以例证这些原理的真实工作以及它们能很好地应用于工程判断。
如果PDN设计是你的未来,那么你会发现,本书是你成功的必读书籍。
本书易于浏览的5个特点
为了使工程师更加有效地使用本书,我们提炼出5个特点。
我们已经尽了最大的努力来处理这种真实问题的复杂性,使其成为最简单的形式,以识别它们的基本原理和如何应用它们。近似作为原理量化的方法已应用到具体的问题中。由于它们是帮助我们校准工程判断的第一步,所以我们能确定仿真结果的意义。
在可能的地方,分析结果用数字图表的形式来表示。具有延伸说明的图表会告诉你文字和方程并行的故事。
每一个章节都提炼出我们认为最为重要的结论或者旁观者的观察,并将其作为提示展示给大家。这些使读者可以轻松浏览本书或者回忆知识亮点。
在每一章的末尾,我们都附加了总结部分,作为这一章中最重要的概括。阅读这一章后,它们应该是很明显的和可预期的。
最后,后面章节广泛使用的PDN谐振计算器电子数字表格可在网站上找到,网址为informit.com/title/9780132735551和www.beTheSignal.com 。电源完整性方面的补充信息也可在这两个网站中找到。
本书大纲
本书是为电源完整性工程师编写的训练手册,用于成功进行PDN设计,学习对策、基本原理和技巧。
第1章概述PDN的定义和为什么工程上低阻抗是如此重要。我们引入阻抗这个概念作为重要的设计特征和PDN性能的指示器,也引入了最为重要的优值来描绘PDN的设计目标——目标阻抗。我们的目标是在可接受的价格、风险并满足性能和周期目标的情况下,使设计的PDN阻抗曲线低于目标阻抗。
第2章对阻抗进行了详细的回顾,它是评估鲁棒性PDN的基础,尤其对串联和并联RLC电路的特性进行了回顾。这些电路决定了PDN阻抗曲线的基本特性。元件集合的阻抗曲线仿真作为基本技巧引入。任何版本中免费的SPICE仿真器都可作为阻抗分析器。
第3章介绍低阻抗测量技术。典型的PDN目标阻抗范围是1Ω到低于1mΩ。测量元件和整个PDN领域中非常低的阻抗时要用特殊技术。
第4章揭示电感的本质,它是什么、它是如何受物理设计影响的,以及从物理设计特征中如何评估回路电感。PDN的相互连接采用工程上低回路电感,这是减小峰值阻抗的重要方法。当电感不能继续减小时,重要的是要知道它的大小,这样就可以评价它的影响了。
第5章回顾电容器的特性、个体以及组合在一起的行为。它们是使阻抗轮廓成型和管理峰值的主要元件。介绍了由电容器组成的5个用于降低峰值阻抗的一般策略。特别介绍了低安装电感的关键工程步骤。
第6章介绍PDN内连接中电源和地平面关键且重要的特性,以及电容器与平面是如何相互作用的。平面最为重要的特性——扩散电感——被详细地探索。另外我们指出从芯片电路的电源质量角度来看,平面腔体谐振根本不重要。
第7章探索PDN内连接另外的作用:为信号回路电流提供低阻抗。当信号通过它们时,开关噪声、地弹跳都是在地平面上产生噪声的问题。这属于信号完整性领域,它有别于电源完整性问题。因为开关噪声的根源与核心Vdd轨的PDN噪声不同,所以解决方法也不同。我们要仔细区分重要的信号完整性和电源完整性。
第8章探索PDN最重要的特性:由片上电容和封装引线电感产生的峰值阻抗,为减小这个峰值,在印制板上可以做些什么。我们会指出,为克服由于这个峰值产生的限制,如何平衡所有的设计原理。
第9章描述由CMOS电路产生的电流特性,以及这个电流谱如何与PDN阻抗曲线相互作用。介绍3个重要的瞬时电流波形:时钟边缘脉冲、阶跃瞬时电流和重复性方波电流。这些波形与不同的PDN特性相互作用。我们指出,最为重要的是3个元素——阻抗曲线、瞬时电流和激励电压——如何共同相互作用。已知任意两个元素,能够评估第三个。
第10章汇集所有的原理和过程,说明如何设计PDN中某个特征来满足性能目标。特别地,引入基本分析技术的简单的电子表格程序,它梦幻般地加速了基本满足设计要求的产生过程。我们会浏览一些设计场景并且给出本书引入的电源原理的设计例子。从测量数据中可看到,发展出来的PDN参数与测量得到的性能匹配得很好。
关于本书教辅资源,只有使用本书作为教材的教师才可以申请,需要的教师请联系机械工业出版社华章公司,电话:01088378991,邮箱:wangguang@hzbook.com。
Larry Smith和Eric Bogatin