PDN设计之电源完整性：高速数字产品的鲁棒和高效设计
本书阐明信号如何与互连交互、串联和并联RLC电路的阻抗相关的属性，如何从物理设计特征预测回路电感和降低电容器组合的峰值阻抗，还直击常见问题的根源，利用分析工具，有效地探索设计空间和优化权衡。
基本信息
- 作者： [美] 拉里·D.史密斯（Larry D. Smith） 埃里克·博加廷（Eric Bogatin）
- 丛书名： 电子电气工程师技术丛书
- 出版社：机械工业出版社
- ISBN：9787111630005
- 上架时间：2019-7-17
- 出版日期：2019 年7月
- 开本：16开
- 页码：450
- 版次：1-1
- 所属分类：工业技术 > 电工技术 > 电路 > 数字电路
内容简介
本书阐明信号如何与互连交互、串联和并联RLC电路的阻抗相关的属性，如何从物理设计特征预测回路电感和降低电容器组合的峰值阻抗，还直击常见问题的根源，利用分析工具，有效地探索设计空间和优化权衡。
目录
译者序
前言
致谢
第1章电源分配网络工程
11电源分配网络的定义及关心它的原因
12PDN工程
13PDN的鲁棒性设计
14建立PDN阻抗曲线
15总结
参考文献
第2章PDN阻抗设计基本原理
21关心阻抗的原因
22频域中的阻抗
23阻抗的计算或仿真
24实际电路元件与理想电路元件
25串联RLC电路
26并联RLC电路
27串联和并联RLC电路的谐振特性
28RLC电路和真实电容器的例子
29从芯片或电路板的角度观察PDN
前言
致谢
第1章电源分配网络工程
11电源分配网络的定义及关心它的原因
12PDN工程
13PDN的鲁棒性设计
14建立PDN阻抗曲线
15总结
参考文献
第2章PDN阻抗设计基本原理
21关心阻抗的原因
22频域中的阻抗
23阻抗的计算或仿真
24实际电路元件与理想电路元件
25串联RLC电路
26并联RLC电路
27串联和并联RLC电路的谐振特性
28RLC电路和真实电容器的例子
29从芯片或电路板的角度观察PDN
前言
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。
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。
媒体评论
本书为实现电源完整性工程建立坚实的理论基础，揭示了电源完整性背后的重要工程原理，阐述了设计鲁棒PDN系统的方法、PDN设计中出现不一致的原因、管理噪声和电气性能，以及如何平衡成本、性能、风险和调度。主要内容包括: 电源分配网络工程、PDN阻抗设计、低阻抗测量技术、从物理设计的角度对回路电感进行评估、实用多层陶瓷片状电容器的集成、PDN内连接中电源和地平面的关键特性、电容器与平面的相互作用、信号完整性探讨、PDN生态学、瞬时电压和PDN电压噪声、PND设计的实用方法。
本书特色：
从实用角度，用贯穿始终的方法实现PDN性能目标。
帮助读者理解信号与互连的关系。
识别出常见问题的根源，以便读者能够避免它们。
平衡分析工具以便有效地探索设计空间。
分析串并联RLC电路中与阻抗关联的属性。
详解组件和完全PDN生态学中的低频阻抗测量。
从物理设计角度预测回路电感，减少电容器组件的峰值阻抗。
介绍PDN内连接中电源和地平面的属性。
减少片上电容和封装引线电感上的峰值阻抗。
阐述如何管理与PDN特性关联的瞬时电流波形。
本书特色：
从实用角度，用贯穿始终的方法实现PDN性能目标。
帮助读者理解信号与互连的关系。
识别出常见问题的根源，以便读者能够避免它们。
平衡分析工具以便有效地探索设计空间。
分析串并联RLC电路中与阻抗关联的属性。
详解组件和完全PDN生态学中的低频阻抗测量。
从物理设计角度预测回路电感，减少电容器组件的峰值阻抗。
介绍PDN内连接中电源和地平面的属性。
减少片上电容和封装引线电感上的峰值阻抗。
阐述如何管理与PDN特性关联的瞬时电流波形。
