Проблемы печатных и одноразовых чипов. Часть 1.

автор Сьюзен Рэмбо (Susan Rambo), Эд Сперлинг (Ed Sperling). Перевод: Сергей Шихов | |   Статьи А-КОНТРАКТ

При поддержке компании А-КОНТРАКТ в журнале «Технологии в электронной промышленности» № 5’2020 опубликована новая статья «Проблемы печатных и...

Далее

Новая цифровая PPL — самая маленькая в мире. Часть 2

автор Перевод: Сергей Шихов | |   Статьи А-КОНТРАКТ

Статья переведена и подготовлена к публикации в журнале "Компоненты и технологии" (№8, 2020г.) при поддержке компании А-КОНТРАКТ.

Далее

Системная оценка наихудших PDN шумов: целевой импеданс и волны-убийцы. Часть 3

автор Истван Новак (Istvan Novak) |

С данными об отклике на скачок из Рис.3-6 мы можем продолжить процесс метода обратного импульса. (Обратите внимание, что Рис.3-6 показывают одни и те же данные, просто в разных формах).

Теперь нам нужно идентифицировать стабильное положение, пики и углубления на отклике на скачок. Мы должны сделать это в обратном порядке, начиная с крайнего правого первого экстремума (пика или углубления) и пройти через все пики и углубления один за одним справа налево до тех пор, пока мы не достигнем момента времени возбуждения. Рис.7 показывает временные отметки и напряжение на пиках и углублениях, определенных в отклике на скачок. Заметьте, что в смоделированных волнах, как в этом случае, определение пиков и минимумов автоматически относительно просто; но это станет сложнее, когда нам нужно будет определять волны отклика на скачок, полученные с помощью измерений. Измерение шума делает идентификацию минимумов/максимумов немного сложнее.

С точками данных на Рис.7 мы можем продолжать двумя разными путями. Если нам не нужно определять возбуждение волны-убийцы и нам нужна только величина наихудшего переходного шума, нам нужно только суммировать максимумы и минимумы и взять разницу. Сумма пиков -78 mV; сумма минимумов -275 mV. Разница между ними -197 mV. Это значение -197 mV – абсолютный наихудший односторонний шум, когда произвольная последовательность 1 амперных скачков тока ударяет PDN. Наихудший двусторонний шум – удвоенное это значение минус величина стабильного положения постоянного тока (-3 mV в этом случае). Эти числа дают нам 391 mVpp наихудшего переходного шума. Другой способ продолжения с данными Рис.7 – определение временной последовательности краев возбуждения, создавая наихудший шум (волну-убийцу) и реальное моделирование шума во временной области.

С временной последовательностью на Рис.7, Рис.8 показывает смоделированные волны на логарифмической горизонтальной шкале. Синяя волна внизу – это волна возбуждения; черная волна наверху – переходный ответ. Переходное значение пик-на-пик – 391 mVpp, что точно совпадает со значением, которое мы рассчитали из максимумов и минимумов на отклике на скачок. Обратите внимание, что для достижения наихудшего переходного шума, мы использовали 37 скачков тока и промежутки между ними не точно следуют трем резонансным частотам. Этот прямой процесс в результате очень быстро дает наихудший шум без необходимости оптимизационной петли, и гарантировано обеспечивает наихудший шум. В этом конкретном примере реальный наихудший шум 391 mVpp/A против 375 mVpp/A, предсказанных оптимизацией волны-убийцы из [2].

Рис. 7: Максимальные и минимальные временные отметки, и напряжение, определенные в отклике на скачок на схеме, показанной на Рис.1.

Также мы можем посмотреть на переходный шум другим популярным методом тестирования: использование повторяющегося потока скачков тока величиной 1А и настройка частоты повторений (а возможно также и рабочий цикл) до тех пор, пока мы не получим максимальный шум. Мы просто изменяем определение I1 источника тока на ступенчатую квадратную волну и проводим моделирование снова. Так как мы изменили частоту повторений, мы обнаружим, что мы получили максимальную величину шума, когда частота повторений совпадет с одной из пиковых частот. Рис.9 показывает результаты, когда мы двигаем частоту вокруг среднего максимума на пяти значениях: 300 kHz, 900 kHz, 1020 kHz, 1100 kHz и 5000 kHz.

Рис. 8: Наихудший ответ, смоделированный с последовательностью возбуждения, рассчитанной с помощью метода обратного импульса.

Рис. 9a: Схема с определениями возбуждения.

Рис. 9b: Волны ответов. Обратите внимание, что квадратные волны возбуждения частот отображают средний резонанс. Наибольший отклик приходит от 1020 kHz квадратной волны, совпадающей со средней резонансной частотой в профиле импеданса.

Рис.10 показывает схемы и волны для трех повторяемых частот, точно совпадающих с тремя пиковыми частотами. Мы видим, что в этом случае переходный шум выше, на самом деле в 4/р раз выше, чем продукт пиковой величины импеданса и величины тока. Причина этого в том, что высокочастотный максимум выделяет колебание основной частоты и значительно ослабляет гармонические волны. В рядах Фурье прямоугольной волны с 50% -ным рабочим циклом синусоидальная волна основной частоты имеет в 4 / p раз большую величину, чем амплитуда квадратной волны.

Наконец, таблица на Рис.11 суммирует все характерные номера сигнатур шума, которые мы получили. Обратите внимание, что метод обратного импульса дал наибольший шум, и это оказался абсолютно наихудший случай. Также получилось, что оптимизация волны-убийцы может обеспечить такой же (правильный) ответ, однако, в мульти-резонансных случаях, как в данном примере, без контроля оператора это может занять большой объем считающих ресурсов и в конечном итоге это может не сойтись.

Первая позиция в этой таблице рассчитана как удвоенная максимальная девиация отклика на скачок (из последнего ряда на Рис.7) минус стабильное состояние отклика. Это шум пик-на-пик в результате одного восходящего фронта, за которым последовал нисходящий фронт с большим временем разделения между ними. Эта оценка на 85,7% меньше, чем реальный максимум. Вторая позиция равна наибольшему пику на Рис. 2.  (126 mOhm при 51.2 MHz) умноженный на 4/p.

Рис. 10a: Схемы с определением возбуждения.

Рис. 10b: Волны отклика. Обратите внимание, что частоты возбуждения квадратной волны точно совпадают с тремя резонансами.

Рис. 11: Оценки наихудшего переходного шума схемы на Рис.1, основываясь на различных методах расчета. Все ответы предполагают последовательность скачков тока 1А.

Это результат качания периодического потока импульса тока для нахождения максимального отклонения шума. Эта оценка на 59,6% ниже, чем реальный наихудший случай. Оценка оптимизированной волны-убийцы взята из [2]. Она на 4,1% ниже, чем реальный наихудший шум.

В этом конкретном примере, когда профиль импеданса имеет множество почти равных пиков, разница огромна. Оценка наихудшего шума только по отклонению пиков или по периодическому возбуждению невероятно недооценивает реальный наихудший шум. Оптимизация волны-убийцы в теории должна бы найти реальный наихудший случай, но это стоит значительного времени и потенциального сбоя совпадения. С более плоским профилем импеданса с меньшим количеством пиков и меньшим соотношением максимумов-минимумов, ошибки во всех расчетах будут ниже. В итоге для идеально плоского профиля импеданса все четыре способа расчета обеспечат одинаковый результат.

Если вы хотите больше узнать о данной теме, обратитесь к [7] и [8] на DesignCon 2016.

 

Ссылки


1. Larry D. Smith, Raymond E. Anderson, Douglas W. Forehand, Thomas J. Pelc, and Tanmoy Roy, ‘‘Power distribution system design methodology and capacitor selection for modern CMOS technology,’’ IEEE Transactions on Advanced Packaging, vol. 22, no. 3, pp. 284–291, Aug.1999.

2. Steve Sandler, “Target Impedance Limitations and Rogue Wave Assessments on PDN Performance,” paper 11-FR2 at DesignCon 2015, January 27–30, 2015, Santa Clara, CA.

3. Istvan Novak, “Comparison of Power Distribution Network Design Methods: Bypass Capacitor Selection Based on Time Domain and Frequency Domain Performances,” DesignCon 2006, February 6–9, 2006, Santa Clara, CA.

4. Jingook Kim, Songping Wu, Hanfeng Wang, Yuzou Takita, Hayato Takeuchi, Kenji Araki, Gang Feng, and, Jun Fan, “Improved Target Impedance and IC Transient Current Measurement for Power Distribution Network Design,” proceedings of the IEEE EMC Symposium, July 25–30, 2010, Fort Lauderdale, FL.

5. Drabkin, et al, “Aperiodic Resonant Excitation of Microprocessor power Distribution Systems and the Reverse Pulse Technique,” proceedings of EPEP 2002, p. 175.

6. Linear Technology device simulation and models, click here.

7. Target Impedance and Rogue Waves, panel discussion at DesignCon 2016, January 19–21, 2016, Santa Clara, CA.

8. Jae Young Choi, Ethan Koether, Istvan Novak, “Electrical and Thermal Consequences of Non-Flat Impedance Profiles,” DesignCon 2016, January 19–21, 2016, Santa Clara, CA.

Др. Истван Новак (Dr. Istvan Novak) – выдающийся инженер в Oracle, работает над разработками целостности сигнала и питания для серверов средней мощности и новыми технологическими разработками. Имеет 25 патентов на свое имя, Новак является соавтором «Частотно-доменной характеристики сетей распределения питания».

Источник: PDF pcbd-dec2015

Назад