揭秘！百兆赫茲的電源去耦如何hold住Gbps的高速信號(hào)

edadoc · 發(fā)表于 2020-3-12 15:25:54

一博科技自媒體高速先生原創(chuàng)文 | 姜杰

高速先生經(jīng)常被問到這樣的問題：信號(hào)速率早已達(dá)到了Gbps的量級(jí)，為何電源仿真報(bào)告里的PDN阻抗（如下圖示紅色曲線，橫坐標(biāo)的單位是MHz）大部分還只看到100MHz？超過100MHz的高頻電源紋波超標(biāo)腫么辦？不會(huì)對(duì)高速信號(hào)產(chǎn)生干擾嗎？

先回答最后一個(gè)問題，高頻段的電源紋波超標(biāo)當(dāng)然會(huì)對(duì)高速信號(hào)產(chǎn)生干擾，不過，大多數(shù)時(shí)候只關(guān)注百兆赫茲內(nèi)PDN阻抗的做法也是沒問題的，是不是有點(diǎn)暈？

其實(shí)，仿真攻城獅只讓你看到100MHz也是為了你好，因?yàn)楦鶕?jù)板級(jí)電容配置的阻抗特點(diǎn)，高頻段的PDN阻抗（如下圖藍(lán)色阻抗線，注意，橫坐標(biāo)的單位是GHz）在你看不到的頻段里（高于100MHz）放飛了自我，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了目標(biāo)阻抗（如下圖綠色虛線0.0135ohm）的要求，怕你看到會(huì)上火。

如果你堅(jiān)持要看更高的頻段，你會(huì)看到這樣的景象：板級(jí)電容的PDN阻抗隨著頻率增加而一路飄高，阻抗曲線在高頻段的抖動(dòng)比你此刻的心電圖還厲害。我猜你會(huì)怒不可遏的揪住仿真攻城獅的領(lǐng)子咆哮:老子按芯片手冊(cè)加的電容，怎么會(huì)跑成這個(gè)鬼樣子？！

電容數(shù)量沒錯(cuò)，容值沒問題，封裝大小也沒毛病，跟layout攻城獅說(shuō)了很多好話，他加的也很辛苦，大家都了解，可是板級(jí)電容的PDN阻抗隨頻率增加的變化趨勢(shì)就是這樣的，因?yàn)楦哳l段的電源去耦不歸你加的這些電容管。

結(jié)論確實(shí)很殘酷，讓你出離了憤怒，你可能需要時(shí)間接受。但是，如果高速先生告訴你，PDN在高頻段的實(shí)際阻抗并沒有你看到的那么糟，因?yàn)镻DN系統(tǒng)級(jí)的去耦除了板級(jí)電容，還要考慮封裝內(nèi)電容去耦（OPD,On-Package Decap）和片上電容（ODC,On-Die Caps），看到這里，你會(huì)不會(huì)先松了一口氣，繼而又覺得很茫然？

在解決你的困惑之前，讓我們先回到最基本的問題，搞懂電源去耦設(shè)計(jì)中的目標(biāo)阻抗是怎么回事？所謂目標(biāo)阻抗（Ztarget），即在滿足負(fù)載最大瞬態(tài)電流需求、且電壓變化不超過最大允許波動(dòng)范圍（Allowed ripple）的情況下，電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）自身阻抗的最大值。簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，就是通過合理的電容配置，在盡量寬的頻段內(nèi)保持PDN的阻抗低于目標(biāo)阻抗,從而使電源的紋波滿足要求。計(jì)算公式如下：

芯片手冊(cè)推薦的電容配置通常會(huì)把電容的數(shù)量、容值、封裝、品牌甚至Layout指導(dǎo)都給你安排的明明白白的。

綜合考慮板上不同容值的電容在不同頻段的去耦作用，板級(jí)電容整體的PDN阻抗通常長(zhǎng)成下圖紅色曲線的樣子。

重點(diǎn)來(lái)了，前文一直聊的是板級(jí)的PDN阻抗，而系統(tǒng)級(jí)的PDN阻抗，除了板級(jí)，還包括芯片封裝內(nèi)的部分。問題的關(guān)鍵就在于板級(jí)電容和芯片內(nèi)的去耦頻段各有側(cè)重。

具體說(shuō)來(lái)就是，直流至百KHz左右的頻段主要依賴電源輸出模塊（VRM）的穩(wěn)定性；百KHz到百M(fèi)Hz的頻段靠板級(jí)電容（PCB Caps，包括Bulk caps及Local caps）進(jìn)行去耦，雖然不同容值的電容負(fù)責(zé)不同的頻段，但整體由于安裝電感的影響，板級(jí)電容的去耦頻段一般局限在百M(fèi)Hz以內(nèi)；更高頻段的電源去耦則通常在芯片內(nèi)部完成，主要依靠封裝內(nèi)的電容及片上電容，而這兩個(gè)電容參數(shù)涉及芯片內(nèi)部的構(gòu)造，一般需要芯片廠商提供。

困惑你的兩個(gè)問題終于有了答案：第一個(gè)問題，大部分的電源仿真報(bào)告里的PDN阻抗只看到100MHz，是因?yàn)槟闼峁┑陌寮?jí)電容配置只能在百M(fèi)Hz之內(nèi)的頻段起作用，部分芯片由于封裝內(nèi)的電容去耦比較給力，甚至只要求封裝外的板上電容只負(fù)責(zé)20MHz以內(nèi)的頻段（具體要參考芯片手冊(cè)）；第二個(gè)問題，高頻段的電源噪聲腫么辦？主要依靠封裝內(nèi)的電容去耦和片上電容的作用。比如，下圖所示的某芯片電源在考慮廠商提供的OPD和ODC前后的PDN阻抗曲線對(duì)比�？梢钥吹�，考慮了芯片內(nèi)的電容參數(shù)之后，紅色的PDN阻抗曲線在高頻段被控制在合理的范圍之內(nèi)并一路走低，形勢(shì)可喜，令人欣慰。