PDN仿真中的铁氧体磁珠模型和转移阻抗

Zachariah Peterson
|  已创建:February 6, 2022  |  已更新:February 11, 2024
铁氧体磁珠PDN

在PDN中使用铁氧体是一项设计建议,其中充满了不明确的指导和过于笼统的建议。看到建议在PDN中放置铁氧体的应用注释或参考设计时,您应该在具体设计中遵循这一点,还是应该忽略这一点并专注于增加电容?如果使用铁氧体隔离两个电源轨会怎样?

我们将在本文中回答两个问题。铁氧体在PDN中可能有两种典型用途:作为直接连接到VDD引脚的假定滤波元素,或者作为两个不同轨道之间的阻断元素。应该避免第一种情况,但如果正确选择铁氧体并在适当的轨道上使用,则第二种情况有希望实现。您可以在中频范围内(最高约1 GHz)的SPICE仿真中检查这一点,这也是我将在本文中讨论的内容。

PDN中的铁氧体磁珠:滤波还是隔离?

我已经多次重申(其他设计人员也会表示同意),在PDN中放置铁氧体会在中频下向PDN增加电感;如果PDN需要支持以快速边沿速率(大约1纳秒或更短的时间)切换的元件,这通常是一个坏主意。大量数据支持这一说法,特别是当铁氧体连接到为高速I/O供电的电源轨时。尽管如此,电源调节器的应用注释通常会说明这一点,并且铁氧体的使用有时会被断章取义或在没有意义的地方实施。

话虽如此,我设计的电路板没有包含用于隔离的铁氧体,即使铁氧体被推荐作为参考设计的一部分或包含在应用注释中也是如此。这篇博客的另一位作者也支持这一说法。这包括省略铁氧体作为电源轨(例如VDD输入和PLL电源轨)相互隔离的元件。

在本文的SPICE仿真中,我们希望看到在PDN的两个轨道之间使用铁氧体作为隔离元件。本质上,我们希望仿真PDN上两个电源轨之间的转移阻抗。在继续操作之前,请阅读本文以了解有关转移阻抗的更多信息,以及本文介绍的具有多个电容器的基本PDN仿真。我将继续使用基本的PDN仿真模型,方法是添加一个轨道并尝试用铁氧体将其隔离。

使用铁氧体磁珠的仿真模型

采用铁氧体的PDN的仿真模型包括两个电源轨:一个用于I/O的电源轨,另一个用于建模较慢开关元素(例如PLL)的额外电轨。使用铁氧体磁珠(有时称为铁氧体芯片)将PLL轨与I/O轨隔离。仿真的目的是检查典型铁氧体作为这两个轨道之间隔离元件的有效性。

PDN仿真模型铁氧体

去耦电容器组由36个具有各种自谐振频率(SRF)值的电容器组成,如前篇PDN仿真文章所示。

仿真中使用的铁氧体产品型号为Murata的BLM18PG121SN1。该建模使用并联RLC电路,通常在SPICE仿真中用于表示铁氧体。使用带宽、谐振电阻和谐振频率,则可取R = 150 Ohms、L = 347 nH和0.3603 pF,对铁氧体进行建模。请注意,虽然这并不是铁氧体的完美表示,但这是在没有该零件的精确仿真模型的情况下可以完成的最佳表示。

铁氧体PDN

在仿真过程中,我们将调制铁氧体的R值,以查看其对仿真模型中两个轨道之间噪声转移的影响。借助之前的去耦仿真模型和上述PLL轨上的隔离铁氧体模型,我们现在拥有执行仿真所需的条件。我们将研究几个案例,以区分不同的噪声源:

  • 当仅I/O轨切换时PLL轨上的电压
  • 当PLL切换和I/O切换时PLL轨上的电压

如果我们愿意,这两种情况都允许我们计算PDN的整个阻抗矩阵。由于我们有2个轨道,这将是一个2x2矩阵,将端口n的电流消耗与端口m测量的电压联系起来:

转移阻抗铁氧体
此仿真中2端口PDN的阻抗参数矩阵定义。

上述目标#1相当于计算阻抗矩阵中的Z21。我们将用其帮助解释仿真中看到的结果。为了检查噪声传播到PLL轨中的情况,我们会将PLL轨电压波形与I/O轨电压波形进行比较。

结果:I/O电源轨切换,PLL静音

比较I/O轨上电压与PLL轨上电压的初始结果如下所示。I/O轨在1 MHz频率下以1 ns上升时间进行切换,而PLL轨不进行切换。

下面的时域波形似乎表明,无论铁氧体如何有效并联电阻和电感,铁氧体对噪声隔离均无影响。事实上,将铁氧体的电感增加1000倍似乎对噪声隔离没有影响。

铁氧体PDN
各种铁氧体参数的I/O电源轨和PDN电源轨上的电压。

虽然并不明显,但在I/O电压波形的上升沿存在一个非常急剧的过渡。如果放大,则可看到该上升沿并非人为因素,而是与I/O轨阻抗中的高频极点(在Z11参数中)相关联。

铁氧体PDN
已放大比较I/O电源轨和PDN电源轨的各种铁氧体参数的结果。请注意,蓝色和灰色曲线重叠。

现在我们可以看到铁氧体的效果;由于Z11参数中的极点为631 MHz,I/O轨上会产生高频噪声。转移阻抗谱(Z21)中存在相同的极点,但其阻抗恰好要低得多。不过,如上所示,由于放置了铁氧体,瞬态响应的高频部分会受到更大的阻尼。很明显,铁氧体模型中的标准R/L值是决定瞬态响应阻尼的因素,就像任何其他RLC电路中的情况一样。换句话说,我们更偏好大电阻和低电感,这与在PDN中使用铁氧体的理由背道而驰。

相比之下,低频噪声似乎完全不受铁氧体的影响。这两个轨道在2.81 MHz处的低频噪声几乎相同,因此我们预计这些轨道的Z参数和2.81 MHz处的Z21频谱具有相同的极点。事实上,这就是我们在下方所示的Z参数频谱中观测的情况。

铁氧体PDN阻抗和转移阻抗
已放大比较I/O电源轨和PDN电源轨的各种铁氧体参数的结果。

通过比较I/O轨(Z11)的自阻抗与转移阻抗谱(Z21),可以明显发现,在631 MHz极点处仅存在边际效益,而在2.81 MHz极点处不存在效益(这是重要的主极点)。虽然似乎PLL轨上的铁氧体负责降低噪声,但旁路电容器也能降低噪声,因为其SRF值为1.59 GHz。两者的共同作用类似于受控ESR电容器,可提供高阻尼并降低噪声。

结果:PLL轨切换、I/O切换

现在,我们可以研究铁氧体的存在如何影响PLL轨上的切换。下面的瞬态分析结果清楚地显示了PLL中的切换操作如何在PLL轨电压中产生重大故障。红色和绿色曲线分别显示使用和不使用铁氧体的PLL轨电压。一旦PLL在5 us后切换为“开启”(蓝色虚线),就会观测到使用铁氧体的PLL轨表现出巨大的电压尖峰。移除铁氧体后,在同一PLL轨上无法观测到这些尖峰。

PDN切换和电源故障
当PLL由于铁氧体的存在而切换时,会出现显著的故障。移除铁氧体后,大型故障就会消除。

移除铁氧体后,可以清楚地看到PLL轨再次变得平滑(参见上方绿色曲线)。事实上,我们甚至无法观测到I/O部分的噪声!这应该是铁氧体在此设计中的致命伤。旁路电容器是降低噪声的主力,而不是铁氧体。结果证实,增加电容比增加电感更有利于设计变更。这也说明了I/O轨上所需的设计更改:添加一些直接针对PDN阻抗谱中631 MHz峰值的小型电容器。

概括

我们从本次演练中学到了什么?结果似乎喜忧参半,高频极点的结果勉强可以接受,而问题较多的低频极点则没有结果。四个要点如下:

  1. 铁氧体阻止来自I/O轨的一些高频噪声到达PLL轨。这是因为极点位于铁氧体的电阻带内,通过比较在I/O轨上测量的I/O噪声与在PLL轨上测量的I/O噪声,即可观测这一点。
  2. 只要正确选择电容器(使其SRF接近高频极点),PLL轨上的旁路电容器就可以极大地帮助隔离。
  3. 铁氧体对于降低来自I/O轨的低频噪声到达PLL轨完全没有任何作用。如果PLL运行电压低至0.9V,则低频噪声将产生显著的干扰。
  4. 当仿真的慢边沿PLL元素切换时,铁氧体的电感会在PLL轨上产生非常大的尖峰。

总而言之,铁氧体在需要的情况下并没有多大帮助。我们可以推断,添加精心选择的电容器将提供与铁氧体相同的优点,而不会出现铁氧体带来的额外问题。从磁珠的阻抗曲线可以看出,磁珠在低频时提供的附加阻尼几乎为零,因此我们预计低频噪声不会出现衰减。相反,可以通过使用两个电源轨上SRF = 2.81 MHz的大型电容器来解决低频噪声。

那么,应该在PDN中使用铁氧体进行隔离吗?请谨慎使用,因为它取决于您需要隔离的频率范围。此外,您应该检查铁氧体是否会在隔离轨上产生新的噪声问题。如果您认为需要在PDN中使用铁氧体进行轨道隔离,请务必首先进行仿真,以确保铁氧体能够实现预期目的。

无论您需要使用铁氧体执行PDN仿真,还是需要对更复杂的电源和信号行为进行建模,您都可以使用Altium Designer®中的内置SPICE软件包来评估设计。您和您的团队将能够通过Altium 365™平台在先进的电子设计方面保持多产和高效协作。您可以在一个软件包中找到设计和生产高级电子产品所需的一切。

我们仅仅触及了在Altium 365上使用Altium Designer可能实现的功能的皮毛。立即开始免费试用Altium Designer + Altium 365

关于作者

关于作者

Zachariah Peterson拥有学术界和工业界广泛的技术背景。在从事PCB行业之前,他曾在波特兰州立大学任教。他的物理学硕士研究课题是化学吸附气体传感器,而应用物理学博士研究课题是随机激光理论和稳定性。他的科研背景涵盖纳米粒子激光器、电子和光电半导体器件、环境系统以及财务分析等领域。他的研究成果已发表在若干经同行评审的期刊和会议论文集上,他还为多家公司撰写过数百篇有关PCB设计的技术博客。Zachariah与PCB行业的其他公司合作提供设计和研究服务。他是IEEE光子学会和美国物理学会的成员。

相关资源

相关的技术文档

返回主页
Thank you, you are now subscribed to updates.