高速电路电源分配网络设计与电源完整性分析

摘要

随着电子系统向高速度、高密度、高功耗、低电压和大电流的趋势发展，高速数字系统设计与分析的重点已经从信号完整性转移到电源完整性。电源完整性及其引起的噪声耦合问题已经成为当代高速数字设计最主要的瓶颈，这正是本论文的研究主题。 电源分配网络构成了高速数字系统最庞大最复杂的互连，约占全部互连空间的30%-40%。系统中所有的器件都直接或间接地连接到电源分配网络上，器件数目成千上万。因此电源分配网络设计与电源完整性分析是数字系统中技术最复杂、最不成熟、意见最不统一的地方。尤其是关于去耦网络的设计与分析，一直以来都是争论不休的焦点。电源分配网络是高速数字设计的核心，它直接影响着电源完整性、信号完整性和电磁完整性等系统的性能。本论文重点研究高速数字系统的电源分配网络设计与电源完整性分析这一主题；并探讨了与之紧密联系的电源噪声抑制和非理想互连的建模与分析。研究的主要内容归纳如下： 1）在消化前人研究成果的基础上，讨论了电源分配网络设计的各个重点环节。剖析了电源完整性、信号完整性和电磁完整性之间的内在联系，提出了电源完整性、信号完整性和电磁完整性协同设计的思想。 2）提出多输入阻抗的概念，并在此基础上分析了去耦平面电源分配网络的电气特性，找出了利用输入阻抗设计电源分配网络在高频时难以获得精确结果的根源。建立了一套基于多输入阻抗的电源分配网络设计与性能分析方法，该方法克服了传统目标阻抗法无法准确表征电源地平面高频特性的缺点。 3）在论证电源分配网络中各元件之间动态电荷交换和传输的基础上，提出了能够在时域准确表征电容和电感在功率及时传输过程中的作用的新方法。建立了一套新的基于功率传输的电源分配网络的设计与性能分析方法，该方法方便、直接、可靠，并为高速电源完整性的分析提供了一个新视点。 4）探讨了电磁带隙结构在电源噪声抑制中的应用。研究了电磁带隙结构噪声抑制的原理以及应用缺陷，在此基础上提出了电磁带隙噪声隔离墙的概念，应用于数字系统的噪声抑制。在获得超宽带电源噪声抑制的同时，很好地控制了附加的额外成本以及由于电磁带隙结构引起的不利影响。此外，还研究了电磁带隙结构中信号走线的传输特性，为电磁带隙结构的实际应用做好铺垫。 5）研究了非理想高速互连的建模与分析技术。非理想互连是严重影响电源完整性、信号完整性和电磁完整性的关键网络。从互连的特性区域出发，阐明了建模的基础与要点；着重探讨了高速连接器和道孔两类典型高速互连的宽带建模技术。建模方法深刻地反映了互连的物理信息和电路结构的紧密关联性，能够很容易地被理解、分析、掌握和应用。 本文系统性地研究了电源分配网络设计与性能分析的各个相关领域，研究结果均通过严格的仿真与实验验证，可以直接应用于实际高速数字系统电源的设计与分析。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章绪论

1.1Moore定律F的高速高密度

1.2电源完整性设计与分析面临巨大挑战

1.3国内外研究现状

1.4本文的研究内容及章节结构

第二章PDN／PI设计分析及相关问题

2.1引言

2.2 PDN组成

2.2.1 VRM

2.2.2去耦电容器

2.2.3 PCB和封装电源地平面

2.2.4芯片电源分配网络

2.3基于目标阻抗的PDN设计方法

2.4 PI、SI和EMI协同设计

2.4.1 PI、SI和EMI的本质联系

2.4.2基于PDN的SI设计

2.4.3基于PDN的EMI设计

2.5 PDN设计的若干问题讨论

2.5.1去耦电容器容量与数量的确定

2.5.2去耦电容器放置与去耦效果

2.5.3平面和材料对PDN性能的影响

2.6本章小结

第三章基于多输入阻抗的PDN设计技术

3.1引言

3.2平面PDN的特性

3.2.1 PDN的叠加阻抗

3.2.2平面PDN的全局特性和本地特性

3.3多输入叠加阻抗

3.3.1多输入叠加阻抗的定义

3.3.2多输入叠加阻抗的计算方法

3.3.3实例说明

3.4多输入自阻抗

3.4.1多输入自阻抗的定义

3.4.2多输入自阻抗的计算

3.4.3实例说明

3.4.4去耦平面PDN的多输入自阻抗

3.5输入阻抗表征整个PDN的讨论

3.6基于多输入阻抗的复杂平面PDN设计

3.6.1设计技术

3.6.2实例与讨论

3.7时域验证

3.7.1 SPICE和FDTD时域验证

3.7.2实验测量验证

3.8本章小结

第四章基于功率传输的PDN设计技术

4.1引言

4.2去耦电容器网络时间有限的瞬态响应

4.2.1去耦网络的瞬态响应

4.2.2去耦网络的稳态响应

4.3 PDN不连续导致功率传输延迟

4.3.1功率传输延迟的估算

4.3.2功率传输延迟的验证

4.4去耦电容器的时域表征

4.4.1 △V时常数定义

4.4.2串联电感、串联电阻、电容和噪声容限对△V时常数的影响

4.4.3去耦网络的设计原理

4.4.4去耦电容器数目的计算

4.5基于功率传输的高速PDN去耦网络设计

4.5.1去耦网络集总模型的假定

4.5.2△V时常数的验证

4.5.3复杂PDN的设计

4.5.4最快去耦电容器的选择

4.5.5去耦电容器的放置与分析

4.6与目标阻抗法的比较

4.6.1 PDN输入阻抗的差别

4.6.2目标阻抗法、功率传输法与电源噪声的关系

4.6.3功率传输法的优点

4.7仿真与测试验证

4.7.1 FDTD全波验证

4.7.2实验测量验证

4.8本章小结

第五章电磁带隙结构在平面PDN中的噪声抑制

5.1 PDN噪声抑制概述

5.2应用EBG结构抑制PDN噪声

5.3多过孔蘑菇状EBG结构

5.3.1多过孔蘑菇状EBG结构

5.3.2宽带噪声抑制

5.3.3带宽展宽的分析

5.4双面EBG结构

5.4.1双面EBG结构带隙特性的研究

5.4.2双面EBG结构的分解与设计

5.5 EBG噪声隔离墙

5.5.1 双面EBG结构的3-D级联

5.5.2 3-D级联EBG隔离墙抑制电磁辐射

5.5.3 3-D级联EBG隔离墙抑制SSN

5.6混合双面EBG

5.6.1 EBG结构设计

5.6.2宽带噪声抑制

5.7 EBG电源地平面之间信号走线的传输特性

5.7.1平面谐振特性对走线传输特性的影响

5.7.2 EBG结构带隙特性对走线传输特性的影响

5.7.3提取走线的特性阻抗

5.7.4实验验证

5.7.5小结

5.8本章小结

第六章非理想互连的建模与分析

6.1概述

6.2.互连线的特性区域

6.2.1集总元件区域

6.2.2 RC 区域

6.2.3 LC区域

6.2.4趋肤效应区域

6.2.5介质损耗区域

6.2.6波导色散区域

6.3集总建模与宽带建模

6.3.1集总建模

6.3.2宽带建模

6.4高速高密度连接器的分布式建模

6.4.1基于TDR测量的高速迮接器建模概述

6.4.2 MMTL模型

6.4.3 MMTL模型的带宽与精度

6.4.4 MMTL模型与MIC模型的比较

6.4.5自动化建模技术

6.4.6模型的实验验证

6.4.7小结

6.5基于电流通路的过孔建模与分析

6.5.1过孔建模概述

6.5.2电源地平面对宏模型

6.5.3单个完全切换过孔的建模

6.5.4完全切换过孔耦合的建模

6.5.5部分切换过孔的建模

6.5.6包含短路孔和去耦电容器的建模与分析

6.5.7过孔建模小结

6.6本章小结

第七章总结与展望

7.1研究成果

7.2 PDN／PI研究展望

附录A第五章EBG结构的实物图

致谢

参考文献

博士在读期间的研究成果