揭秘！百兆赫兹的电源去耦如何hold住Gbps的高速信号

edadoc · 发表于 2020-3-12 15:25:54

一博科技自媒体高速先生原创文 | 姜杰

高速先生经常被问到这样的问题：信号速率早已达到了Gbps的量级，为何电源仿真报告里的PDN阻抗（如下图示红色曲线，横坐标的单位是MHz）大部分还只看到100MHz？超过100MHz的高频电源纹波超标肿么办？不会对高速信号产生干扰吗？

先回答最后一个问题，高频段的电源纹波超标当然会对高速信号产生干扰，不过，大多数时候只关注百兆赫兹内PDN阻抗的做法也是没问题的，是不是有点晕？

其实，仿真攻城狮只让你看到100MHz也是为了你好，因为根据板级电容配置的阻抗特点，高频段的PDN阻抗（如下图蓝色阻抗线，注意，横坐标的单位是GHz）在你看不到的频段里（高于100MHz）放飞了自我，远远超出了目标阻抗（如下图绿色虚线0.0135ohm）的要求，怕你看到会上火。

如果你坚持要看更高的频段，你会看到这样的景象：板级电容的PDN阻抗随着频率增加而一路飘高，阻抗曲线在高频段的抖动比你此刻的心电图还厉害。我猜你会怒不可遏的揪住仿真攻城狮的领子咆哮:老子按芯片手册加的电容，怎么会跑成这个鬼样子？！

电容数量没错，容值没问题，封装大小也没毛病，跟layout攻城狮说了很多好话，他加的也很辛苦，大家都了解，可是板级电容的PDN阻抗随频率增加的变化趋势就是这样的，因为高频段的电源去耦不归你加的这些电容管。

结论确实很残酷，让你出离了愤怒，你可能需要时间接受。但是，如果高速先生告诉你，PDN在高频段的实际阻抗并没有你看到的那么糟，因为PDN系统级的去耦除了板级电容，还要考虑封装内电容去耦（OPD,On-Package Decap）和片上电容（ODC,On-Die Caps），看到这里，你会不会先松了一口气，继而又觉得很茫然？

在解决你的困惑之前，让我们先回到最基本的问题，搞懂电源去耦设计中的目标阻抗是怎么回事？所谓目标阻抗（Ztarget），即在满足负载最大瞬态电流需求、且电压变化不超过最大允许波动范围（Allowed ripple）的情况下，电源分配网络（PDN）自身阻抗的最大值。简单来说，就是通过合理的电容配置，在尽量宽的频段内保持PDN的阻抗低于目标阻抗,从而使电源的纹波满足要求。计算公式如下：

芯片手册推荐的电容配置通常会把电容的数量、容值、封装、品牌甚至Layout指导都给你安排的明明白白的。

综合考虑板上不同容值的电容在不同频段的去耦作用，板级电容整体的PDN阻抗通常长成下图红色曲线的样子。

重点来了，前文一直聊的是板级的PDN阻抗，而系统级的PDN阻抗，除了板级，还包括芯片封装内的部分。问题的关键就在于板级电容和芯片内的去耦频段各有侧重。

具体说来就是，直流至百KHz左右的频段主要依赖电源输出模块（VRM）的稳定性；百KHz到百MHz的频段靠板级电容（PCB Caps，包括Bulk caps及Local caps）进行去耦，虽然不同容值的电容负责不同的频段，但整体由于安装电感的影响，板级电容的去耦频段一般局限在百MHz以内；更高频段的电源去耦则通常在芯片内部完成，主要依靠封装内的电容及片上电容，而这两个电容参数涉及芯片内部的构造，一般需要芯片厂商提供。

困惑你的两个问题终于有了答案：第一个问题，大部分的电源仿真报告里的PDN阻抗只看到100MHz，是因为你所提供的板级电容配置只能在百MHz之内的频段起作用，部分芯片由于封装内的电容去耦比较给力，甚至只要求封装外的板上电容只负责20MHz以内的频段（具体要参考芯片手册）；第二个问题，高频段的电源噪声肿么办？主要依靠封装内的电容去耦和片上电容的作用。比如，下图所示的某芯片电源在考虑厂商提供的OPD和ODC前后的PDN阻抗曲线对比。可以看到，考虑了芯片内的电容参数之后，红色的PDN阻抗曲线在高频段被控制在合理的范围之内并一路走低，形势可喜，令人欣慰。