PDN設計之電源完整性：高速數字產品的魯棒和高效設計 ( 簡體 字) |
| 作者：〔美〕拉里·D杄史密斯（Larry D. Smith） 埃里克·博加廷（Eric Bogatin）著 | 類別：1. -> 電子工程 -> 電子電氣 |
| 譯者： |
| 出版社：機械工業出版社 |  3dWoo書號： 51445
詢問書籍請說出此書號！【缺書】
NT售價： 995 元 |
| 出版日：7/1/2019 |
| 頁數：435 |
| 光碟數：0 |
|
站長推薦：   |
| 印刷：黑白印刷 | 語系： ( 簡體 版 ) |
| |
加入購物車  │加到我的最愛
(請先登入會員) |
| ISBN：9787111630005 |
| 作者序 | 譯者序 | 前言 | 內容簡介 | 目錄 | 序 |
| (簡體書上所述之下載連結耗時費功, 恕不適用在台灣, 若讀者需要請自行嘗試, 恕不保證) |
| 作者序： |
| 譯者序： |
前言：本書焦點
電子工業中的電源完整性問題是一個容易混淆的課題——部分原因是不能很好地定義和涉及的問題太廣泛，每個問題都有一套屬于自己的根本原因和解決方案。這里有一個普遍的共識是：電源完整性領域包括從電壓調整模塊（VRM）到片上核心電源“軌”以及片上電容。
VRM與芯片之間是封裝和印制板上的相互連接，封裝和印制板常常載有分立式電容器，這些電容器有與之有關的安裝電感。電源分配網絡（PDN）是指在VRM和片上VddVss電源“軌”之間的所有相互連接（通常是感性的），以及儲能元件（通常是容性的）和損耗機構（阻尼）。
電源完整性是指從芯片看向電路的所有有關的電源特性。信號通過空腔，在印制板和地平面上會產生什么噪聲？這是信號完整性問題還是電源完整性問題？由I/O開關電源產生的電壓噪聲是片上Vcc和Vss電源“軌”完整性問題還是信號完整性問題？最終連接到VRM并通過公共封裝電感進入的電流產生的這個噪聲有時稱為開關噪聲或“地跳動”。
信號和電源完整性之間的灰色區域對解決電源完整性具有深遠的影響。在印制板上加上去耦電容常常能解決Vdd核心噪聲，但是這很少能改善由寬帶信號感應的空腔噪聲。一般情況下，印制板上的電容器很少或不能改善回路平面的跳動噪聲。在一些情況下，產生的并聯諧振實際上可能會增加空腔與信號的交調。
解決問題的第一步是清晰地確定問題，然后正確地識別出根本原因。一個準確定義的問題常常只要幾步就可求解。對問題高效率求解的前提是基于問題的實際根本原因。
本書聚焦于與Vdd“軌”上噪聲有關的特殊的電源完整性問題，Vdd“軌”給片上核心邏輯供電，使其執行相關功能。由片上Vdd“軌”開關信號供電的門與片上其他門進行通信，不需要像I/O一樣傳輸出芯片。由核心有源部分引起的瞬時電流會在Vdd“軌”上產生噪聲，有時定義它為“自我攻擊”。減小這個問題影響的原理、分析方法和推薦的設計也能應用于其他信號完整性、電源完整性和EMI的問題，但本書的焦點是Vdd“軌”上的自我攻擊。
其他電源完整性或信號完整性問題及其解決方法
術語“電源完整性”太復雜，無法解決一般設計中的所有問題。相反，我們需要清楚地識別設法要解決的特殊問題以及對每個特殊問題的最好設計實踐。
完整系統設計中的一些次要問題有時也歸類為電源完整性問題。
● 由I/O開關、地彈跳在VccVss軌上引起的噪聲和開關噪聲： Vcc軌上的自我攻擊。
● 負載阻抗的改變在VRM上引起的噪聲：VRM的自我攻擊。
● 信號通過不連續的返回路徑引起的信號失真：信號路徑的自我攻擊。
● 來自供電軌和傳輸到VRM的噪聲，以及板級ＰＤＮ互連上的污染。
● 在封裝上的電壓噪聲和來自所有源的板級ＰＤＮ互連之間的交調，耦合到Vdd軌上。
● 在封裝上的電壓噪聲和來自所有源的板級PDN互連之間的交調，耦合到I/O電源軌上。
● 在封裝上的電壓噪聲和板級PDN互連之間的交調，以及耦合到PDN的一個信號。
這些問題中的每一個都有不同的根源，為減小其影響有最好的不同系列的設計實踐。這些課題有些屬于信號完整性，有些屬于電源完整性。
為了避免大家認為所有電源完整性問題是相同的（一組解應用于所有問題），工程師和設計者應該習慣仔細地描述尋找到的問題而不是使用電源完整性或信號完整性這種大標題來說明。
印刷品、參考文獻可提供大量的PDN設計建議。盲目地跟隨其中的任何一個都是危險的。不幸的是，很多建議要么是錯誤的，要么是自相矛盾的。部分原因是它們僅面向上述問題之一，而且不正確地將這些建議廣泛用于解決所有的電源完整性問題。
明確問題的特殊性、根本原因，才能找出最好的設計實踐。
魯棒性PDN設計面對的挑戰
低劣的PDN設計會導致產品失敗。診斷PDN失敗的原因是很困難的，因為它們很難重現。有時，失敗原因是由一系特殊問題的微碼組合引起的，這造成考核PDN質量困難。PDN設計中必須考慮魯棒性。
除了低阻抗VRM以外，有些印制板的PDN實際上只要求魯棒性。其他PDN可能要求電容數值的特殊組合并且要安裝在特殊的位置，然后僅對魯棒性提出一定限制。
每個PDN都是唯一的，有自己的內情。每一個都有自己的功能要求、芯片特征、微碼和價格上的設計約束、性能、風險和研究周期。僅遵循其他人認為最好的設計原理來有效地設計魯棒性PDN是很困難的，一個堅實的設計方法起著重要的作用。
在任何工程領域中，對包括電源完整性在內的很多問題的共同回答是“……視情況而定”,回答“……視情況而定”的僅有方法是清楚地定義這個問題，然后對這個特殊問題進行分析，找出根源和不同的解法。
開始就準確高概率地進入PDN的最有效的設計過程（和多數高性能產品設計方法）是基于4個元素的。
● 從建立最好的設計實踐開始
● 理解信號與相互連接彼此作用的基本原理——麥克斯韋方程的基本應用原理
● 識別需避免的共同問題和它們的根源
● 對于每個特殊的產品詳情和限制，使用有效探索設計領域的舉足輕重的設計工具，找到適宜的價格-性能-風險-研發周期之間的折中。
很多課題的目標是在可接受的價格、風險和周期內，找到滿足性能目標的可接受設計。
本書為實現電源完整性工程提供堅實的理論基礎，識別在PDN設計中所遇共同問題的根源，遵循這個最好的設計實踐并且執行工程折中分析來平衡價格、性能、周期和風險。
本書的對象
本書減少了數學上的形式主義，揭示了電源完整性背后重要的工程原理。如果需要詳細的數學推導和復雜的數值仿真，那么請參考其他的書。
這并不是說數學上的嚴密不重要——每個電子工程專業的學生應該都知道。作為實際工程，能應用這些原理來解決實際問題比從麥克斯韋方程中推導出每一個詳情更加重要。
本書是以為高性能系統特殊設計的一套方法作為基礎，以建立最好的設計原理為起點。每一個設計都是特定的，都有自己的故事、系統性能目標和價格、風險和周期限制。這意味著你不能盲目地跟隨每一個設計指南，而必須有自己的判斷。
這并不意味著要奪取你的3D全波仿真器和對每一件事情的仿真。這種做法將是一種難以置信且無效的過程，不能保證會成功地轉換為一種可接受的答案。
工程判斷的基礎是理解基本原理——這是麥克斯韋方程的實際應用——確定需避免的問題和根源，確認分析工具來有效地探索設計區域并找到可接受的答案。對于應用一套方法來設計魯棒性PDN系統來說，本書是指導方針。
兩位作者在信號和電源完整性領域有著70年以上的工程經驗，在本書中提取出以電源完整性作為基礎的最重要的工程原理。
有足夠的數學知識可使一個實踐工程師會快速得到一個學習曲線以實現折中分析，并且識別什么是重要的——等價值——什么是不重要的。
使用簡略的方程式澄清哪一個項是重要的，以及如何組合它們來影響結果。它們用于更詳細地重申原理。當這些方程式加上數字時，它們屬于“第一攻擊線”。
在可能的地方，我們將舉一些簡單的例子以說明分析的近似性。在合適的地方，會介紹測試工具的測量和真實系統，以例證這些原理的真實工作以及它們能很好地應用于工程判斷。
如果PDN設計是你的未來，那么你會發現，本書是你成功的必讀書籍。
本書易于瀏覽的5個特點
為了使工程師更加有效地使用本書，我們提煉出5個特點。
我們已經盡了最大的努力來處理這種真實問題的復雜性，使其成為最簡單的形式，以識別它們的基本原理和如何應用它們。近似作為原理量化的方法已應用到具體的問題中。由于它們是幫助我們校準工程判斷的第一步，所以我們能確定仿真結果的意義。
在可能的地方，分析結果用數字圖表的形式來表示。具有延伸說明的圖表會告訴你文字和方程并行的故事。
每一個章節都提煉出我們認為最為重要的結論或者旁觀者的觀察，并將其作為提示展示給大家。這些使讀者可以輕松瀏覽本書或者回憶知識亮點。
在每一章的末尾，我們都附加了總結部分，作為這一章中最重要的概括。閱讀這一章后，它們應該是很明顯的和可預期的。
本書大綱
本書是為電源完整性工程師編寫的訓練手冊，用于成功進行PDN設計，學習對策、基本原理和技巧。
第1章概述PDN的定義和為什么工程上低阻抗是如此重要。我們引入阻抗這個概念作為重要的設計特征和PDN性能的指示器，也引入了最為重要的優值來描繪PDN的設計目標——目標阻抗。我們的目標是在可接受的價格、風險并滿足性能和周期目標的情況下，使設計的PDN阻抗曲線低于目標阻抗。
第2章對阻抗進行了詳細的回顧，它是評估魯棒性PDN的基礎，尤其對串聯和并聯RLC電路的特性進行了回顧。這些電路決定了PDN阻抗曲線的基本特性。元件集合的阻抗曲線仿真作為基本技巧引入。任何版本中免費的SPICE仿真器都可作為阻抗分析器。
第3章介紹低阻抗測量技術。典型的PDN目標阻抗范圍是1Ω到低于1mΩ。測量元件和整個PDN領域中非常低的阻抗時要用特殊技術。
第4章揭示電感的本質，它是什么、它是如何受物理設計影響的，以及從物理設計特征中如何評估回路電感。PDN的相互連接采用工程上低回路電感，這是減小峰值阻抗的重要方法。當電感不能繼續減小時，重要的是要知道它的大小，這樣就可以評價它的影響了。
第5章回顧電容器的特性、個體以及組合在一起的行為。它們是使阻抗輪廓成型和管理峰值的主要元件。介紹了由電容器組成的5個用于降低峰值阻抗的一般策略。特別介紹了低安裝電感的關鍵工程步驟。
第6章介紹PDN內連接中電源和地平面關鍵且重要的特性，以及電容器與平面是如何相互作用的。平面最為重要的特性——擴散電感——被詳細地探索。另外我們指出從芯片電路的電源質量角度來看，平面腔體諧振根本不重要。
第7章探索PDN內連接另外的作用：為信號回路電流提供低阻抗。當信號通過它們時，開關噪聲、地彈跳都是在地平面上產生噪聲的問題。這屬于信號完整性領域，它有別于電源完整性問題。因為開關噪聲的根源與核心Vdd軌的PDN噪聲不同，所以解決方法也不同。我們要仔細區分重要的信號完整性和電源完整性。
第8章探索PDN最重要的特性：由片上電容和封裝引線電感產生的峰值阻抗，為減小這個峰值，在印制板上可以做些什么。我們會指出，為克服由于這個峰值產生的限制，如何平衡所有的設計原理。
第9章描述由CMOS電路產生的電流特性，以及這個電流譜如何與PDN阻抗曲線相互作用。介紹3個重要的瞬時電流波形：時鐘邊緣脈沖、階躍瞬時電流和重復性方波電流。這些波形與不同的PDN特性相互作用。我們指出，最為重要的是3個元素——阻抗曲線、瞬時電流和激勵電壓——如何共同相互作用。已知任意兩個元素，能夠評估第三個。
第10章匯集所有的原理和過程，說明如何設計PDN中某個特征來滿足性能目標。特別地，引入基本分析技術的簡單的電子表格程序，它夢幻般地加速了基本滿足設計要求的產生過程。我們會瀏覽一些設計場景并且給出本書引入的電源原理的設計例子。從測量數據中可看到，發展出來的PDN參數與測量得到的性能匹配得很好。
Larry Smith和Eric Bogatin |
內容簡介：本書為實現電源完整性工程建立堅實的理論基礎，揭示了電源完整性背后的重要工程原理，闡述了設計魯棒PDN系統的方法、PDN設計中出現不一致的原因、管理噪聲和電氣性能，以及如何平衡成本、性能、風險和調度。主要內容包括: 電源分配網絡工程、PDN阻抗設計、低阻抗測量技術、從物理設計的角度對回路電感進行評估、實用多層陶瓷片狀電容器的集成、PDN內連接中電源和地平面的關鍵特性、電容器與平面的相互作用、信號完整性探討、PDN生態學、瞬時電壓和PDN電壓噪聲、PND設計的實用方法。
本書特色：
從實用角度，用貫穿始終的方法實現PDN性能目標。
幫助讀者理解信號與互連的關系。
識別出常見問題的根源，以便讀者能夠避免它們。
平衡分析工具以便有效地探索設計空間。
分析串并聯RLC電路中與阻抗關聯的屬性。
詳解組件和完全PDN生態學中的低頻阻抗測量。
從物理設計角度預測回路電感，減少電容器組件的峰值阻抗。
介紹PDN內連接中電源和地平面的屬性。
減少片上電容和封裝引線電感上的峰值阻抗。
闡述如何管理與PDN特性關聯的瞬時電流波形。 |
目錄：譯者序
前言
致謝
第1章電源分配網絡工程
1杄1電源分配網絡的定義及關心它的原因
1杄2PDN工程
1杄3PDN的魯棒性設計
1杄4建立PDN阻抗曲線
1杄5總結
參考文獻
第2章PDN阻抗設計基本原理
2杄1關心阻抗的原因
2杄2頻域中的阻抗
2杄3阻抗的計算或仿真
2杄4實際電路元件與理想電路元件
2杄5串聯RLC電路
2杄6并聯RLC電路
2杄7串聯和并聯RLC電路的諧振特性
2杄8RLC電路和真實電容器的例子
2杄9從芯片或電路板的角度觀察PDN
2杄10瞬態響應
2杄11高級主題：阻抗矩陣
2杄12總結
參考文獻
第3章低阻抗測量
3杄1關注低阻抗測量的原因
3杄2基于V/I阻抗定義的測量
3杄3基于信號反射的阻抗測量
3杄4用VNA測量阻抗
3杄5示例：測量DIP中兩條引線的阻抗
3杄6示例：測量小導線回路的阻抗
3杄7低頻下VNA阻抗測量的局限性
3杄8四點開爾文電阻測量技術
3杄9雙端口低阻抗測量技術
3杄10示例：測量直徑為1in的銅環阻抗
3杄11夾具偽像說明
3杄12示例：測量通孔的電感
3杄13示例：印制板上的小型 MLCC電容器
3杄14高級主題：測量片上電容
3杄15總結
參考文獻
第4章電感和PDN設計
4杄1留意PDN設計中電感的原因
4杄2簡單回顧電容，初步了解電感
4杄3電感的定義、磁場和電感的基本原則
4杄4電感的阻抗
4杄5電感的準靜態近似
4杄6磁場密度
4杄7磁場中的電感和能量
4杄8麥克斯韋方程和回路電感
4杄9內部及外部電感和趨膚深度
4杄10回路電感、部分電感、自電感和互電感
4杄11均勻圓形導體
4杄12圓形回路中電感的近似
4杄13緊密結合的寬導體的回路電感
4杄14均勻傳輸線回路電感的近似
4杄15回路電感的簡單經驗法則
4杄16高級主題：利用3D場求解器計算S參數并選取回路電感
4杄17總結
參考文獻
第5章實用多層陶瓷片狀電容器的集成
5杄1使用電容器的原因
5杄2實際電容器的等效電路模型
5杄3并聯多個相同的電容器
5杄4兩個不同電容器間的并聯諧振頻率
5杄5PRF處的峰值阻抗
5杄6設計一個貼片電容
5杄7電容器溫度與電壓穩定性
5杄8多大的電容是足夠的
5杄9一階和二階模型中實際電容器的ESR
5杄10從規格表中估算電容器的ESR
5杄11受控ESR電容器
5杄12電容器的安裝電感
5杄13使用供應商提供S參數的電容器型號
5杄14如何分析供應商提供的S參數模型
5杄15高級主題：更高帶寬的電容模型
5杄16總結
參考文獻
第6章平面和電容器的特性
6杄1平面的關鍵作用
6杄2平面的低頻特性：平行板電容
6杄3平面的低頻特性：邊緣場電容
6杄4平面的低頻特性：功率坑中的邊緣場電容
6杄5長窄腔回路電感
6杄6寬腔中的擴散電感
6杄7從3D場求解器中獲得擴散電感
6杄8集總電路中串聯和并聯的自諧振頻率
6杄9探討串聯LC諧振的特性
6杄10擴散電感和源的接觸位置
6杄11兩個接觸點之間的擴散電感
6杄12電容器和腔的相互作用
6杄13擴散電感的作用：電容位置在何時重要
6杄14飽和擴散電感
6杄15空腔模態共振和傳輸線特性
6杄16傳輸線和模態共振的輸入阻抗
6杄17模態共振和衰減
6杄18空腔二維模型
6杄19高級主題：使用傳輸阻抗探測擴散電感
6杄20總結
參考文獻
第7章信號返回平面改變時，信號完整性的探討
7杄1信號完整性和平面
7杄2涉及峰值阻抗問題的原因
7杄3通過較低阻抗和較高阻尼來降低腔體噪聲
7杄4使用短路通孔遏制腔體諧振
7杄5使用多個隔直電容抑制腔體諧振
7杄6為抑制腔體諧振，估計隔直電容器的數量
7杄7為承受回路電流，需要確定隔直電容器的數量
7杄8使用未達最佳數量的隔直電容器的腔體阻抗
7杄9擴散電感和電容器的安裝電感
7杄10使用阻尼來遏制由一些電容器產生的并聯諧振峰
7杄11腔體損耗和阻抗峰的降低
7杄12使用多個容量的電容器來遏制阻抗峰
7杄13使用受控ESR電容器來減小峰值阻抗高度
7杄14處理回路平面最為重要的設計原理的總結
7杄15高級主題：使用傳輸線電路對平面建模
7杄16總結
參考文獻
第8章PDN生態學
8杄1元件集中在一起：PDN生態學和頻域
8杄2高頻端：芯片去耦電容
8杄3封裝PDN
8杄4Bandini山
8杄5估計典型的Bandini 山頻率
8杄6Bandini山的固有阻尼
8杄7具有多個通孔對接觸的電源地平面
8杄8從芯片通過封裝看PCB腔體
8杄9空腔的作用：小印制板、大印制板和“電源旋渦”
8杄10低頻端：VRM和它的大容量電容器
8杄11大容量電容器：多大的電容值足夠
8杄12優化大容量電容器和VRM
8杄13建立PDN生態學系統：VRM、大容量電容器、腔體、封裝和片上電容器
8杄14峰值阻抗的基本限制
8杄15在具有一般特性的印制板上使用單數值的MLCC電容器
8杄16優化單個MLCC電容器的數值
8杄17在印制板上使用3個不同數值的MLCC電容器
8杄18優化3個電容器的數值
8杄19選擇電容值和最小電容器數目的頻域目標阻抗法
8杄20使用FDTIM選擇電容器的值
8杄21當片上電容是大的和封裝引線電感小的時候
8杄22使用受控ESR電容器是一種替換的去耦策略
8杄23封裝上的去耦電容器
8杄24高級主題：同一供電電路上多個芯片的影響
8杄25總結
參考文獻
第9章瞬時電流和PDN電壓噪聲
9杄1瞬時電流如此重要的原因
9杄2平坦阻抗曲線、瞬時電流和目標阻抗
9杄3使用平坦阻抗曲線，估計計算目標阻抗的瞬時電流
9杄4通過電路芯片的實際PDN電流曲線
9杄5電容以Vss和Vdd為參考時的時鐘邊緣電流
9杄6測量的例子：嵌入式控制器處理器
9杄7PDN噪聲的真實原因——時鐘邊緣電流如何驅動PDN噪聲
9杄8支配PDN阻抗峰的方程
9杄9描述PDN特征的最為重要的電流波形
9杄10PDN對脈沖動態電流的響應
9杄11PDN對動態電流階躍變化的響應
9杄12PDN在諧振時對方波動態電流的響應
9杄13目標阻抗及瞬態和AC穩態響應
9杄14電抗元件、q因子和峰值阻抗對PDN電壓噪聲的影響
9杄15惡劣波
9杄16存在惡劣波時的魯棒性設計策略
9杄17來自開關電容器負載的時鐘邊緣電流脈沖
9杄18由一系列時鐘脈沖組成的瞬時電流波形
9杄19高級主題：實際CMOS場合應用時鐘門控、時鐘吞咽和電源選通
9杄20高級主題：電源選通
9杄21總結
參考文獻
第10章PDN設計的實用方法
10杄1重申PDN設計中的目標
10杄2最重要的電源完整性原理總結
10杄3為探索設計空間引入的電子數據表格
10杄4第1∼12行：PND輸入電壓、電流和目標阻抗參數
10杄5第13∼24行：零階浸入（時鐘邊緣）噪聲和片上參數
10杄6安裝電感和電阻參數的抽取
10杄7典型的電感印制板和封裝的幾何分析
10杄8具有3個環路的PDN諧振計算器電子數據表
10杄9性能指標
10杄10阻尼和q因子的重要性
10杄11使用開關電容器模型來激勵PDN
10杄12三峰PDN脈沖、階躍和諧振響應：瞬態仿真的相關性
10杄13時域和頻域中獨特的q因子
10杄14上升時間和阻抗峰激勵
10杄15三峰PDN的改善：減小Bandini山的回路電感和MLCC電容器容量選擇
10杄16三峰PDN的改善：較好的SMPS模型
10杄17三峰PDN的改善：封裝上的去耦電容器
10杄18改進前和改進后的PDN的瞬態響應
10杄19再次審視瞬時電流的假設
10杄20實際的限制：風險、性能和價格折中
10杄21測量中的PDN特征的逆向工程
10杄22仿真與測量的相關性
10杄23PDN阻抗測量和電壓特征的仿真總結
10杄24總結
參考文獻 |
| 序： |
