PDN设计之电源完整:速数字产品的鲁棒和高效设计
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作者[美] 拉里·D.史密斯（Larry Smith） 埃里克·博加廷
出版社机械工业出版社
ISBN9787111630005
出版时间2019-07
装帧平装
开本16开
定价199元
货号1201913366
上书时间2024-12-10
商品详情
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作者简介
拉里？D.史密斯（Larry D.Smith），曾在IBM公司从事电源和模拟电路设计、信号完整性领域的工作，在2011年加入高通公司，任电源完整性设计资深工程师。他拥有众多并发表了很多期刊论文和会议文章。
目录
译者序前言致谢章电源分配网络工程11电源分配网络的定义及关心它的原因12PDN工程13PDN的鲁棒性设计14建立PDN阻抗曲线15总结参考文献第2章PDN阻抗设计基本原理21关心阻抗的原因22频域中的阻抗23阻抗的计算或仿真24实际电路元件与理想电路元件25串联RLC电路26并联RLC电路27串联和并联RLC电路的谐振特性28RLC电路和真实电容器的例子29从芯片或电路板的角度观察PDN210瞬态响应211不错主题：阻抗矩阵212总结参考文献第3章低阻抗测量31关注低阻抗测量的原因32基于V/I阻抗定义的测量33基于信号反射的阻抗测量34用VNA测量阻抗35示例：测量DIP中两条引线的阻抗36示例：测量小导线回路的阻抗37低频下VNA阻抗测量的局限性38四点开尔文电阻测量技术39双端口低阻抗测量技术310示例：测量直径为1in的铜环阻抗311夹具伪像说明312示例：测量通孔的电感313示例：印制板上的小型 MLCC电容器314不错主题：测量片上电容315总结参考文献第4章电感和PDN设计41留意PDN设计中电感的原因42简单回顾电容，初步了解电感43电感的定义、磁场和电感的基本原则44电感的阻抗45电感的准静态近似 46磁场密度47磁场中的电感和能量48麦克斯韦方程和回路电感49内部及外部电感和趋肤深度410回路电感、部分电感、自电感和互电感411均匀圆形导体412圆形回路中电感的近似413紧密结合的宽导体的回路电感414均匀传输线回路电感的近似415回路电感的简单经验法则416不错主题：利用3D场求解器计算S参数并选取回路电感417总结参考文献第5章实用多层陶瓷片状电容器的集成51使用电容器的原因52实际电容器的等效电路模型53并联多个相同的电容器54两个不同电容器间的并联谐振频率55PRF处的峰值阻抗56设计一个贴片电容57电容器温度与电压稳定性58多大的电容是足够的59一阶和二阶模型中实际电容器的ESR510从规格表中估算电容器的ESR511受控ESR电容器512电容器的安装电感513使用供应商提供S参数的电容器型号514如何分析供应商提供的S参数模型515不错主题：更高带宽的电容模型516总结参考文献第6章平面和电容器的特性61平面的关键作用62平面的低频特性：平行板电容63平面的低频特性：边缘场电容 64平面的低频特性：功率坑中的边缘场电容65长窄腔回路电感66宽腔中的扩散电感67从3D场求解器中获得扩散电感68集总电路中串联和并联的自谐振频率69探讨串联LC谐振的特性610扩散电感和源的接触位置611两个接触点之间的扩散电感612电容器和腔的相互作用613扩散电感的作用：电容位置在何时重要614饱和扩散电感615空腔模态共振和传输线特性616传输线和模态共振的输入阻抗617模态共振和衰减618空腔二维模型619不错主题：使用传输阻抗探测扩散电感620总结参考文献第7章信号返回平面改变时，信号完整性的探讨71信号完整性和平面72涉及峰值阻抗问题的原因73通过较低阻抗和较高阻尼来降低腔体噪声74使用短路通孔遏制腔体谐振75使用多个隔直电容抑制腔体谐振76为抑制腔体谐振，估计隔直电容器的数量77为承受回路电流，需要确定隔直电容器的数量78使用未达最佳数量的隔直电容器的腔体阻抗79扩散电感和电容器的安装电感710使用阻尼来遏制由一些电容器产生的并联谐振峰711腔体损耗和阻抗峰的降低712使用多个容量的电容器来遏制阻抗峰713使用受控ESR电容器来减小峰值阻抗高度714处理回路平面最为重要的设计原理的总结715不错主题：使用传输线电路对平面建模716总结参考文献第8章PDN生态学81元件集中在一起：PDN生态学和频域82高频端：芯片去耦电容83封装PDN84Bandini山85估计典型的Bandini 山频率86Bandini山的固有阻尼87具有多个通孔对接触的电源地平面88从芯片通过封装看PCB腔体89空腔的作用：小印制板、大印制板和“电源旋涡”810低频端：VRM和它的大容量电容器811大容量电容器：多大的电容值足够812优化大容量电容器和VRM813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814峰值阻抗的基本限制815在具有一般特性的印制板上使用单数值的MLCC电容器816优化单个MLCC电容器的数值817在印制板上使用3个不同数值的MLCC电容器818优化3个电容器的数值819选择电容值和最小电容器数目的频域目标阻抗法820使用FDTIM选择电容器的值821当片上电容是大的和封装引线电感小的时候822使用受控ESR电容器是一种替换的去耦策略823封装上的去耦电容器824不错主题：同一供电电路上多个芯片的影响825总结参考文献第9章瞬时电流和PDN电压噪声91瞬时电流如此重要的原因92平坦阻抗曲线、瞬时电流
内容摘要
本书内容丰富，主要涉及到如下方面：章简单分析了什么是PDN和为什么工程上的低阻抗很好重要。第2章对阻抗进行了完整的讨论，它是评估鲁棒性PDN的基础。第3章介绍了低阻抗测量技术。第4章揭示了电感的本质，即它是如何受物理设计的影响，并从物理设计的角度对回路电感进行了评估。第5章回顾了电容器的特性及其个体和组合体的性能。第6章介绍了PDN内连接中电源和地平面关键重要的特性，以及电容器与平面是如何相互作用的。第7章探索了PDN相互连接的作用，即为信号回路电流提供低阻抗。第8章讨论了PDN很重要的特性，即由片上电容产生的峰值阻抗和封装引线电感。为了减小这些寄生参数，本章也介绍了在PCB上可以采取哪些有效措施。第9章描述了由CMOS电路产生的电流的特性，这个电流谱如何与PDN阻抗曲线相互起作用。0章汇集了所有的原理和过程，说明如何设计PDN中某个特征来满足性能目标。
精彩内容
本书焦点电子工业中的电源完整性问题是一个容易混淆的课题——部分原因是不能很好地定义和涉及的问题太广泛，每个问题都有一套属于自己的根本原因和解决方案。这里有一个普遍的共识是：电源完整性领域包括从电压调整模块（VRM）到片上核心电源“轨”以及片上电容。VRM与芯片之间是封装和印制板上的相互连接，封装和印制板常常载有分立式电容器，这些电容器有与之有关的安装电感。电源分配网络（PDN）是指在VRM和片上VddVss电源“轨”之间的所有相互连接（通常是感性的），以及储能元件（通常是容性的）和损耗机构（阻尼）。电源完整性是指从芯片看向电路的所有有关的电源特性。信号通过空腔，在印制板和地平面上会产生什么噪声？这是信号完整性问题还是电源完整性问题？由I/O开关电源产生的电压噪声是片上Vcc和Vss电源“轨”完整性问题还是信号完整性问题？最终连接到VRM并通过公共封装电感进入的电流产生的这个噪声有时称为开关噪声或“地跳动”。信号和电源完整性之间的灰色区域对解决电源完整性具有深远的影响。在印制板上加上去耦电容常常能解决Vdd核心噪声，但是这很少能改善由宽带信号感应的空腔噪声。一般情况下，印制板上的电容器很少或不能改善回路平面的跳动噪声。在一些情况下，产生的并联谐振实际上可能会增加空腔与信号的交调。解决问题的步是清晰地确定问题，然后正确地识别出根本原因。一个准确定义的问题常常只要几步就可求解。对问题高效率求解的前提是基于问题的实际根本原因。本书聚焦于与Vdd“轨”上噪声有关的特殊的电源完整性问题，Vdd“轨”给片上核心逻辑供电，使其执行相关功能。由片上Vdd“轨”开关信号供电的门与片上其他门进行通信，不需要像I/O一样传输出芯片。由核心有源部分引起的瞬时电流会在Vdd“轨”上产生噪声，有时定义它为“自我攻击”。减小这个问题影响的原理、分析方法和推荐的设计也能应用于其他信号完整性、电源完整性和EMI的问题，但本书的焦点是Vdd“轨”上的自我攻击。其他电源完整性或信号完整性问题及其解决方法术语“电源完整性”太复杂，无法解决一般设计中的所有问题。相反，我们需要清楚地识别设法要解决的特殊问题以及对每个特殊问题的最好设计实践。完整系统设计中的一些次要问题有时也归类为电源完整性问题。● 由I/O开关、地弹跳在VccVss轨上引起的噪声和开关噪声： Vcc轨上的自我攻击。● 负载阻抗的改变在VRM上引起的噪声：VRM的自我攻击。● 信号通过不连续的返回路径引起的信号失真：信号路径的自我攻击。● 来自供电轨和传输到VRM的噪声，以及板级ＰＤＮ互连上的污染。● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级ＰＤＮ互连之间的交调，耦合到Vdd轨上。● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级PDN互连之间的交调，耦合到I/O电源轨上。● 在封装上的电压噪声和板级PDN互连之间的交调，以及耦合到PDN的一个信号。这些问题中的每一个都有不同的根源，为减小其影响有最好的不同系列的设计实践。这些课题有些属于信号完整性，有些属于电源完整性。为了避免大家认为所有电源完整性问题是相同的（一组解应用于所有问题），工程师和设计者应该习惯仔细地描述寻找到的问题而不是使用电源完整性或信号完整性这种大标题来说明。印刷品、参考文献可提供大量的PDN设计建议。盲目地跟随其中的任何一个都是危险的。不幸的是，很多建议要么是错误的，要么是自相矛盾的。部分原因是它们仅面向上述问题之一，而且不正确地将这些建议广泛用于解决所有的电源完整性问题。明确问题的特殊性、根本原因，才能找出最好的设计实践。鲁棒性PDN设计面对的挑战低劣的PDN设计会导致产品失败。诊断PDN失败的原因是很困难的，因为它们很难重现。有时，失败原因是由一系特殊问题的微码组合引起的，这造成考核PDN质量困难。PDN设计中必须考虑鲁棒性。除了低阻抗VRM以外，有些印制板的PDN实际上只要求鲁棒性。其他PDN可能要求电容数值的特殊组合并且要安装在特殊的位置，然后仅对鲁棒性提出一定限制。每个PDN都是唯一的，有自己的内情。每一个都有自己的功能要求、芯片特征、微码和价格上的设计约束、性能、风险和研究周期。仅遵循其他人认为最好的设计原理来有效地设计鲁棒性PDN是很困难的，一个坚实的设计方法起着重要的作用。在任何工程领域中，对包括电源完整性在内的很多问题的共同回答是“……视情况而定”,回答“……视情况而定”的仅有方法是清楚地定义这个问题，然后对这个特殊问题进行分析，找出根源和不同的解法。开始就准确高概率地进入PDN的最有效的设计过程（和多数高性能产品设计方法）是基于4个元素的。● 从建立最好的设计实践开始● 理解信号与相互连接彼此作用的基本原理——麦克斯韦方程的基本应用原理● 识别需避免的共同问题和它们的根源● 对于每个特殊的产品详情和限制，使用有效探索设计领域的举足轻重的设计工具，找到适宜的价格-性能-风险-研发周期之间的折中。很多课题的目标是在可接受的价格、风险和周期内，找到满足性能目标的可接受设计。本书为实现电源完整性工程提供
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