电源网络低频段S参数拓展方法.pdf

收稿日期:修回日期:基金项目:国家重点研发计划资助项目()作者简介:赵豪兵()男实习研究员硕士主要研究方向为高速电路设计和仿真:.:/电源网络低频段 参数拓展方法赵豪兵 虎艳宾 李沛杰(信息工程大学河南 郑州)摘要:电源网络 参数与芯片电源模型()级联可实现电源时域噪声仿真完成电源完整性设计签核 当下部分仿真工具在 阻抗优化过程中导出的 参数存在低频段无法覆盖的问题影响时域纹波仿真精度如果重新对 参数进行提取又会增加仿真时间降低仿真效率 针对 阻抗优化过程中导出的 参数无法覆盖低频段的问题提出了一种电源网络 参数低频段拓展方法结合电压调节模块()的 模型推导出低频段的 参数可以借用抽取的 参数中最低频点处的 参数实现低频段 参数的拓展 仿真和实验结果表明通过对低频段 参数进行拓展电源时域纹波噪声仿真的精度提升 同时低频段的 参数直接借用已抽取的 参数中低频点的数值无须重复提取在 内存的配置下仿真时间节约 左右提高了仿真效率关键词:电源网络 参数低频段 参数拓展电源时域波形仿真仿真效率中图分类号:文献标识码:文章编号:().第 卷第 期 年 月信 息 工 程 大 学 学 报 .当前高端芯片的核心电压越来越低电流需求却越来越大这对电源完整性设计和仿真都提出了巨大的挑战 电源完整性仿真优化主要涉及直流压降仿真、阻抗优化、电源时域纹波噪声仿真其中电源时域纹波噪声仿真已成为电源完整性签核的重要依据而电源网络的 参数是电源时域纹波噪声仿真必不可少的数据 当下业内常用的电源完整性仿真工具在进行电源分配网络()的 阻抗优化时都可以导出电源网络的 参数但部分工具导出的 参数缺少低频段信息利用该 参数进行电源时域纹波噪声仿真会影响仿真的精度导致仿真结果无法正确反映实际工况下电源时域纹波噪声特性 电源网络低频段的阻抗主要由电压调节模块()决定因此电源网络低频段的 参数和 有一定的关联针对电源完整性仿真国内外学者已经做了大量的研究 文献从矢量网络分析仪测量的 参数中提取电源网络的集总模型然后利用二阶微分方程推导了电源网络时域瞬态电压噪声解析式文献采用去耦电容的阻抗曲线模拟低频段电源供电网络阻抗曲线文献通过优化电源网络 参数的端接阻抗来精确仿真电源供电网络文献通过优化矢量网络分析仪的探测位置测量电源供电网络的阻抗曲线带宽满足直流到 但都没有介绍低频段 参数数据的拓展方法和文献集总模型提取方法相比文献通过分析模型简化原理建立了简化的 集总模型对电源时域波形进行了仿真但没有从 参数级联仿真的角度进行分析文献用仿真软件抽取 的参数文献侧重 曲线的优化文献中电源网络 参数抽取起始频率为.但文献中并没有涉及低频段 参数处理办法文献描述对象是板级电源网络或全供电拓扑而文献重点介绍了先进封装中 的电源网络时域分析通过对硅转接板和硅通孔的建模实现了 电源网络时域噪声分析但文中没有对抽取的 参数进行处理的介绍文献通过对去耦电容进行优化拓宽阻抗曲线在目标阻抗以下的频率范围并进行了时域仿真但也未提及低频段 参数的处理方法综上所述目前在进行电源网络时域纹波噪声仿真时大多采用在仿真软件中特别设置从直流开始抽取 参数的方法 但是在某些仿真软件中 阻抗优化后所得到的结果未能提供有效解决低频段 参数缺失问题的途径 本文对 输出阻抗进行了推导根据 输出阻抗及有损传输线理论推导出低频段 参数可以借用抽取出的 参数数据中低频点的数值进行拓展从而提出了一种电源网络低频段 参数拓展的方法完成对缺失低频段 参数的拓展并进行了仿真对比和实验验证 电压调节模块模型根据电源完整性理论在电源分配网络的全拓扑中封装基板及裸芯()上的电容负责高频段的噪声去耦电源网络低频段的阻抗主要由 决定 输出阻抗通常在毫欧级别 传统的 一阶模型是电阻和电感的串联模型如图 所示图 的 模型根据 的 模型可知 的输出阻抗计算方式为 ()式中:为 的输出直流电阻 为角频率为 输出电感由于 和 为固定值当 为 时 的直流输出电阻为 电感的取值根据负载变化时电压电流的变化情况可由式()进行计算:()式中:为负载突变时的电压跌落值是电流变化率的导数在低频段电源网络拓扑中 和印制电路板()的直流电阻是串联的关系 由于在 中进行电源时域纹波噪声仿真时 设置为理想模型 因此需要将 的 模型的影响在低频段 参数中得以体现 将 的输出直流电阻修正为 信 息 工 程 大 学 学 报 年 ()式中:为修正后的 直流电阻为实际 的直流输出电阻为 的直流电阻综上 的输出阻抗可以调整为 ()低频段 参数拓展策略及仿真对比.低频段 参数拓展策略根据式()的输出阻抗结合 和芯片用电端实际工作时的特性在低频段 的寄生效应可以忽略因此当芯片正常工作时从芯片侧看过去的等效电路如图 所示 图 中 的为 修正后直流电阻 为 的输出电感图 芯片正常工作时从芯片侧看向 的等效电路在低频段串扰以及回损数值在 以下当从芯片用电端去扫频时可以近似认为串扰和反射带来的损耗为 由于介质损耗和频率相关在低频段介质损耗可以近似认为是 所以低频段损耗可以认为主要由导体损耗导致结合图 和式()可知电感 上的储能也会最终消耗在电阻上因此在一定负载电流下低频段 网络上的损耗表达式可以写为 ()式中:为 网络的损耗 为流过 网络电流的有效值为修正后的直流电阻 为激励时间 为 输出电感在 和负载两侧加端口进行抽取 参数扫频时激励电压是固定的在低频段根据式()可知阻抗变化很小可以近似认为 也是固定的而在低频段每次扫频激励时间一样且根据式()、式()可知 为固定值 为 输出电感其也为固定值因此在低频段的不同频点可以近似认为 网络的损耗没有变化对于有损传输线有 ()式中:为归一化的回损 为归一化的插损为归一化的链路损耗结合式()、式()及前文所述在低频段归一化的链路损耗即为导体损耗且为定值可以根据低频点处的 和 的幅值计算得到 反映了链路阻抗不连续情况在低频段信号对阻抗不一致性不敏感可以认为在低频段的幅值没有变化因此在低频段根据式()推导的 的幅值也没有变化 由于 参数的相位表征的是传输线的长度信息不影响低频段的阻抗计算因此低频段各频点的 参数可以直接借用已抽取得到的 参数中低频点处的数值已知某测试板卡进行 交流阻抗优化过程中导出的 参数其起始频率是 具体 参数数据如表 所示表 频点的 参数数据 参数幅值相位.根据前文所述低频段 范围内频点处的 和 的幅值和相位直接采用 频点数值 和 的数值同理也直接采用 频点处的数值从而拓展出低频段的 参数.仿真对比在电源完整性时域噪声仿真中借助芯片电源模型利用 软件根据网表描述通过瞬态仿真可以快速地仿真模拟得到芯片实际工况下的电源时域噪声波形本设计中主芯片标准供电电压.波动最大即 即芯片正常供电电压范围为.在实际实验测试中 侧调压输出为.基于上述条件构建仿真环境:在 的网表文件中通过 命令加载芯片的 设置 电压值为.通过 命令加载 和封装基板的电源网络 参数文件并设置节点将 和 电源网络 参数、封装基板电源网络 参数及 级联构成完整供电拓扑 在 侧设置电压节点 参考节点为在 侧设置电压节点 第 期赵豪兵等:电源网络低频段 参数拓展方法参考节点为 瞬态仿真时间设置为 步进值 分别在 侧和 侧设置节点处设置电压探针 仿真分别得到未拓展 板电源网络低频 参数时的 及 侧电源时域噪声波形如图 所示以及拓展了 板电源网络低频 参数时的 及 侧电源时域噪声波形如图 所示图 未拓展低频段 参数时的电源时域噪声波形图 拓展了低频段 参数时的电源时域噪声波形 根据图 的仿真结果芯片正常工作时 侧最大电压为.最低电压为.直流偏置大概.侧的最大电压为.最低电压为.直流偏置在.左右在 侧纹波峰峰值大概在 左右 在 侧的直流电压降大约 按照图 的仿真结果电源完整性设计是不合格的芯片不能正常工作然而在此前直流压降仿真优化以及 阻抗优化都已满足设计指标因此该仿真结果表明缺失低频段 参数的情况下时域电源纹 信 息 工 程 大 学 学 报 年波噪声分析无法真实反映芯片实际工况下的电源特性补充了低频段 参数的电源时域噪声仿真结果如图 所示芯片正常工作时 侧的最大电压为.最小值为.直流偏置电压在.左右 侧的最大电压为.最小值为.直流偏置为.纹波峰峰值为 芯片正常工作时的电压范围为.即电源完整性设计满足芯片正常工作时的供电需求 相比图 的仿真结果在已经进行了直流压降优化和 阻抗优化的前提下图 的仿真结果能更加真实的反映芯片正常工作时电源时域纹波噪声的特性 实验验证为了验证仿真结果和实验结果的差异搭建如图 所示的实验环境 整个实验环境由测试板卡、示波器、电压探头、供电电源组成 测试板卡上的 芯片采用 输出电压.两通道并联输出 电流供给主芯片电压探头测量位置靠近主芯片供电 进行点测图 实验平台搭建在芯片实际工况下测得离芯片供电的 处最近的测试点的 的电压波形如图 所示该测试点的电源纹波如图 所示图 测试点处的 电压波形图 电源纹波根据实验结果可知当 的输出调整为.以及使能了 远端 的前提下在芯片实际工况下离供电 侧最近处测试点的电压为.而仿真结果显示在 侧的直流电压为.误差为 仿真结果和实测结果的对比表明利用本文提出的低频段 参数拓展方法拓展的 参数的电源时域纹波噪声仿真可以有效的模拟出电源实际工况下的时域噪声仿真精度较之未拓展低频段 参数提高为电源完整性设计签核提供依据 由于是直接利用仿真工具优化 阻抗时提取 参数的低频点的数据进行拓展不需要重新设置仿真软件对 参数进行提取在 内存的配置上仿真时间节约 左右提高了仿真效率 实验测得 的纹波峰峰值平均值为 未拓展低频段 参数以及拓展了低频段 参数的 侧的纹波仿真结果分别为、仿真结果表明低频段 参数主要影响直流电压降 结束语当下芯片核心电压不断下降电流需求却不断增加在该背景下电源完整性仿真优化结果及仿真效率是确保投板成功及按节点投板的关键保障然而当下一些仿真工具优化完 阻抗后导出的 参数缺少低频段数据无法直接用于电源时域纹波噪声的仿真而重新进行 参数提取又会增加仿真时间降低仿真效率 利用本文所述的低频段 参数拓展方法可以直接对缺乏低频段 参数数据的 参数文件进行拓展无须重复提取在 内存的配置上仿真时间节约 左右提高了仿真效率拓展后的 参数结合芯片的 在 中可以快速搭建仿真环境对电源时域纹波噪声进 第 期赵豪兵等:电源网络低频段 参数拓展方法行仿真仿真结果结合实验验证表明利用本文所述的低频段 参数拓展方法拓展后的电源网络 参数可以有效的表征电源网络阻抗信息仿真精度提高 利用拓展后的 参数级联的电源时域纹波噪声仿真能够有效的模拟芯片在实际工况下的电源时域纹波噪声特性为电源完整性设计签核提供依据参考文献:鱼鹏.高速电路中 电源噪声分析及去耦网络设计.西安:西安电子科技大学:.史鑫龙.面向移动基带 的电源完整性设计.西安:西安电子科技大学:.夏建强.高速电路电源分配网络的时域分析与设计.西安:西安电子科技大学:.刘玉玺.电源分配网络电压噪声的时域分析与去耦设计.西安:西安电子科技大学:.:./.:.:./.:.:.().():.():.顾晓雪顾定富.电源完整性分析及应用.电子与封装():.陈林楷.信号完整性中板级传输线优化方法研究.广州:广东工业大学:.刘凯文.基于 仿真工具的高速串行信号的分析与设计.成都:中国科学院大学(中国科学院光电技术研究所):.:.(编辑:冯 春)信 息 工 程 大 学 学 报 年