PDN设计之电源完整性 高速数字产品的鲁棒和高效设计PDF电子书下载

第1章 电源分配网络工程 1

1.1 电源分配网络的定义及关心它的原因 1

1.2 PDN工程 4

1.3 PDN的鲁棒性设计 5

1.4 建立PDN阻抗曲线 8

1.5 总结 9

参考文献 9

第2章 PDN阻抗设计基本原理 10

2.1 关心阻抗的原因 10

2.2 频域中的阻抗 10

2.3 阻抗的计算或仿真 12

2.4 实际电路元件与理想电路元件 15

2.5 串联RLC电路 17

2.6 并联RLC电路 18

2.7 串联和并联RLC电路的谐振特性 19

2.8 RLC电路和真实电容器的例子 22

2.9 从芯片或电路板的角度观察PDN 24

2.10 瞬态响应 27

2.11 高级主题：阻抗矩阵 30

2.12 总结 35

参考文献 35

第3章 低阻抗测量 36

3.1 关注低阻抗测量的原因 36

3.2 基于V/I阻抗定义的测量 36

3.3 基于信号反射的阻抗测量 37

3.4 用VNA测量阻抗 40

3.5 示例：测量DIP中两条引线的阻抗 42

3.6 示例：测量小导线回路的阻抗 44

3.7 低频下VNA阻抗测量的局限性 47

3.8 四点开尔文电阻测量技术 49

3.9 双端口低阻抗测量技术 51

3.10 示例：测量直径为1in的铜环阻抗 54

3.11 夹具伪像说明 57

3.12 示例：测量通孔的电感 59

3.13 示例：印制板上的小型MLCC电容器 62

3.14 高级主题：测量片上电容 66

3.15 总结 74

参考文献 75

第4章 电感和PDN设计 76

4.1 留意PDN设计中电感的原因 76

4.2 简单回顾电容，初步了解电感 76

4.3 电感的定义、磁场和电感的基本原则 78

4.4 电感的阻抗 82

4.5 电感的准静态近似 84

4.6 磁场密度 86

4.7 磁场中的电感和能量 88

4.8 麦克斯韦方程和回路电感 90

4.9 内部及外部电感和趋肤深度 92

4.10 回路电感、部分电感、自电感和互电感 95

4.11 均匀圆形导体 96

4.12 圆形回路中电感的近似 98

4.13 紧密结合的宽导体的回路电感 100

4.14 均匀传输线回路电感的近似 103

4.15 回路电感的简单经验法则 106

4.16 高级主题：利用3D场求解器计算S参数并选取回路电感 107

4.17 总结 111

参考文献 112

第5章 实用多层陶瓷片状电容器的集成 113

5.1 使用电容器的原因 113

5.2 实际电容器的等效电路模型 114

5.3 并联多个相同的电容器 115

5.4 两个不同电容器间的并联谐振频率 116

5.5 PRF处的峰值阻抗 118

5.6 设计一个贴片电容 121

5.7 电容器温度与电压稳定性 122

5.8 多大的电容是足够的 124

5.9 一阶和二阶模型中实际电容器的ESR 125

5.10 从规格表中估算电容器的ESR 128

5.11 受控ESR电容器 130

5.12 电容器的安装电感 131

5.13 使用供应商提供S参数的电容器型号 137

5.14 如何分析供应商提供的S参数模型 139

5.15 高级主题：更高带宽的电容模型 141

5.16 总结 149

参考文献 150

第6章 平面和电容器的特性 151

6.1 平面的关键作用 151

6.2 平面的低频特性：平行板电容 152

6.3 平面的低频特性：边缘场电容 153

6.4 平面的低频特性：功率坑中的边缘场电容 156

6.5 长窄腔回路电感 159

6.6 宽腔中的扩散电感 160

6.7 从3D场求解器中获得扩散电感 166

6.8 集总电路中串联和并联的自谐振频率 168

6.9 探讨串联LC谐振的特性 171

6.10 扩散电感和源的接触位置 172

6.11 两个接触点之间的扩散电感 174

6.12 电容器和腔的相互作用 178

6.13 扩散电感的作用：电容位置在何时重要 179

6.14 饱和扩散电感 182

6.15 空腔模态共振和传输线特性 183

6.16 传输线和模态共振的输入阻抗 186

6.17 模态共振和衰减 187

6.18 空腔二维模型 190

6.19 高级主题：使用传输阻抗探测扩散电感 193

6.20 总结 198

参考文献 198

第7章 信号返回平面改变时，信号完整性的探讨 199

7.1 信号完整性和平面 199

7.2 涉及峰值阻抗问题的原因 199

7.3 通过较低阻抗和较高阻尼来降低腔体噪声 202

7.4 使用短路通孔遏制腔体谐振 204

7.5 使用多个隔直电容抑制腔体谐振 211

7.6 为抑制腔体谐振，估计隔直电容器的数量 213

7.7 为承受回路电流，需要确定隔直电容器的数量 217

7.8 使用未达最佳数量的隔直电容器的腔体阻抗 220

7.9 扩散电感和电容器的安装电感 222

7.10 使用阻尼来遏制由一些电容器产生的并联谐振峰 223

7.11 腔体损耗和阻抗峰的降低 225

7.12 使用多个容量的电容器来遏制阻抗峰 227

7.13 使用受控ESR电容器来减小峰值阻抗高度 228

7.14 处理回路平面最为重要的设计原理的总结 230

7.15 高级主题：使用传输线电路对平面建模 231

7.16 总结 233

参考文献 234

第8章 PDN生态学 235

8.1 元件集中在一起：PDN生态学和频域 235

8.2 高频端：芯片去耦电容 237

8.3 封装PDN 242

8.4 Bandini山 246

8.5 估计典型的Bandini山频率 250

8.6 Bandini山的固有阻尼 252

8.7 具有多个通孔对接触的电源－地平面 254

8.8 从芯片通过封装看PCB腔体 257

8.9 空腔的作用：小印制板、大印制板和“电源旋涡” 259

8.10 低频端：VRM和它的大容量电容器 263

8.11 大容量电容器：多大的电容值足够 265

8.12 优化大容量电容器和VRM 267

8.13 建立PDN生态学系统：VRM、大容量电容器、腔体、封装和片上电容器 270

8.14 峰值阻抗的基本限制 272

8.15 在具有一般特性的印制板上使用单数值的MLCC电容器 275

8.16 优化单个MLCC电容器的数值 278

8.17 在印制板上使用3个不同数值的MLCC电容器 281

8.18 优化3个电容器的数值 284

8.19 选择电容值和最小电容器数目的频域目标阻抗法 285

8.20 使用FDTIM选择电容器的值 287

8.21 当片上电容是大的和封装引线电感小的时候 289

8.22 使用受控ESR电容器是一种替换的去耦策略 293

8.23 封装上的去耦电容器 295

8.24 高级主题：同一供电电路上多个芯片的影响 299

8.25 总结 301

参考文献 302

第9章 瞬时电流和PDN电压噪声 303

9.1 瞬时电流如此重要的原因 303

9.2 平坦阻抗曲线、瞬时电流和目标阻抗 304

9.3 使用平坦阻抗曲线，估计计算目标阻抗的瞬时电流 305

9.4 通过电路芯片的实际PDN电流曲线 306

9.5 电容以Vss和Vdd为参考时的时钟边缘电流 310

9.6 测量的例子：嵌入式控制器处理器 311

9.7 PDN噪声的真实原因——时钟边缘电流如何驱动PDN噪声 313

9.8 支配PDN阻抗峰的方程 317

9.9 描述PDN特征的最为重要的电流波形 320

9.10 PDN对脉冲动态电流的响应 322

9.11 PDN对动态电流阶跃变化的响应 324

9.12 PDN在谐振时对方波动态电流的响应 326

9.13 目标阻抗及瞬态和AC稳态响应 328

9.14 电抗元件、q因子和峰值阻抗对PDN电压噪声的影响 332

9.15 恶劣波 336

9.16 存在恶劣波时的鲁棒性设计策略 341

9.17 来自开关电容器负载的时钟边缘电流脉冲 343

9.18 由一系列时钟脉冲组成的瞬时电流波形 349

9.19 高级主题：实际CMOS场合应用时钟门控、时钟吞咽和电源选通 354

9.20 高级主题：电源选通 357

9.21 总结 360

参考文献 361

第10章 PDN设计的实用方法 362

10.1 重申PDN设计中的目标 362

10.2 最重要的电源完整性原理总结 363

10.3 为探索设计空间引入的电子数据表格 368

10.4 第1～12行：PND输入电压、电流和目标阻抗参数 371

10.5 第13～24行：零阶浸入（时钟边缘）噪声和片上参数 372

10.6 安装电感和电阻参数的抽取 374

10.7 典型的电感印制板和封装的几何分析 379

10.8 具有3个环路的PDN谐振计算器电子数据表 381

10.9 性能指标 384

10.10 阻尼和q因子的重要性 386

10.11 使用开关电容器模型来激励PDN 391

10.12 三峰PDN脉冲、阶跃和谐振响应：瞬态仿真的相关性 392

10.13 时域和频域中独特的q因子 397

10.14 上升时间和阻抗峰激励 402

10.15 三峰PDN的改善：减小Bandini 山的回路电感和MLCC电容器容量选择 407

10.16 三峰PDN的改善：较好的SMPS模型 410

10.17 三峰PDN的改善：封装上的去耦电容器 412

10.18 改进前和改进后的PDN的瞬态响应 416

10.19 再次审视瞬时电流的假设 421

10.20 实际的限制：风险、性能和价格折中 422

10.21 测量中的PDN特征的逆向工程 424

10.22 仿真与测量的相关性 428

10.23 PDN阻抗测量和电压特征的仿真总结 433

10.24 总结 434

参考文献 435