电源完整性仿真及其在DDRSDRAM电路中的应用研究

1、 邮局订阅号：元/年技术创新仿真技术PLC 技术应用200例您的论文得到两院院士关注电源完整性仿真及其在DDR SDRAM 电路中的应用研究Power Integrity Simulation and its Application Research in DDR SDRAM Circuit(兰州交通大学电子与信息工程学院杜丽霞曹岩DU Li-xia CAO Yan摘要:结合DDR SDRAM 控制电路介绍了如何计算电源分配系统目标阻抗的方法, 通过SPECCTRAQuest Power Integrity 软件对电路的电源分配系统进行了仿真与分析, 达到了验证的目的。测试结果表明, 该方法可

2、以设计出能够满足要求的电源分配系统, 并可以降低设计复杂度, 提高设计效率, 缩短设计周期。关键词:电源完整性; 仿真; 目标阻抗; DDR SDRAM; SPECCTRAQuest PI 中图分类号:TP302文献标识码:AAbstract:The basic concept and modeling of PDS is first narrated; then the method of calculating target impedance of a DDR circuit PDS is introduced. At last a simulating and analyzing me

3、thod using SPECCTRAQuest PI is put forward to verify the PDS. Testing result proved that this method can guarantee required PDS, reduce designing complexity, increase designing efficiency, shorten design -ing period.Key words:power integrity; simulation; target impendence; DDR SDRAM; SPECCTRAQuest P

4、I文章编号:1008-0570(200905-1-0247-02引言随着电子技术的飞速发展，现代电子系统正朝着高速方向发展。而高速系统的性能很大程度上取决于系统稳定可靠的电源供应，尤其当高速开关器件数目不断增加、电源电压逐渐降低的时候，电源电压和地电位的波动会给高速系统带来致命的影响。在以往的信号完整性分析和仿真中，一般都是简单地假设电源绝对处于稳定状态，但随着系统设计对仿真精度的要求不断提高，这种假设显然是越来越不能被接受的。因此对电源完整性方面的研究显得越来越重要。随着存储技术的高速发展，嵌入式存储系统的容量和速度正在不断升级，使得存储系统的设计越来越成为高速系统设计的核心。而日益下降的工

5、作电压对存储系统的电源设计也提出了更大的挑战。文章结合DDR SDRAM 存储系统的电平要求，讲述了电源完整性仿真在设计PDS 中的应用。1电源分配系统建模PDS 的作用是给整个电路提供稳定的电源，而要做到这一点的关键是控制PDS 的目标阻抗。PDS 在不同频率时会存在不同的输入阻抗，这个阻抗正是导致电源电压不连续的直接原因。所以我们设计的重点是在很宽的一个频率范围内（DC1GHz），将系统阻抗控制在系统要求的目标阻抗内。PDS 由电压调节模块（VRM ）、各种电容、电源/地平面对组成。这三者在不同频段会做出不同的频率响应，各自只在某一频段有较小阻抗。电源模块的频率响应范围大约在DC1KHz

6、；大电解电容在1KHz1MHz范围能够保持较低阻抗；而高频陶瓷电容则在1MHz 到几百兆赫兹频率上保持较低阻抗；电源/地平面对在100MHz 以上频率上才能保持较低阻抗。那么要控制PDS 的阻抗，就可以充分利用这三者不同的频率响应，从而在很宽的一个频率范围内将系统阻抗控制在要求的目标阻抗内，如图1所示。地平面共同作用来满足目标阻抗要求2基于SPECCTRAQuest 的电源完整性仿真与分析2.1DDR SDRAM 电路的目标阻抗设计PDS 的系统阻抗必须在一定频率范围内小于系统的目标阻抗，要实现此目标，我们必须首先得到目标阻抗的值。目标阻抗的定义为：根据JEDEC 标准，DDR 使用的是SST

7、L_2电平标准，工作电压为2.5V 。电压允许波动范围为±0.2V ，即±8%，为使系统工作更稳定，我们选电压允许波动范围为±4%。假设噪声电流与最大瞬态负载电流之和为2A ，则可以得到系统目标阻抗为为了维持目标阻抗，需要使用到一定数量的不同频段的电容，单结点仿真正好可以用来验证选择的电容数量是否可以在频率范围内维持目标阻抗。SQ 的PI 模块连接工作表中所有去耦电容和电压调节模块，并用1A 的交流电流源并联之，等效电路如图2所示。结果则以阻抗频率曲线的形式显示为合成阻抗图。杜丽霞:教研室主任民进人士副教授IZ ÁÂÂ?Toleran

8、ce(RippleVoltage suply (Power ÁÂÃmO 502%45. 2ÁÂÃ?ÁÂÂZ 247-技术创新微计算机信息(测控自动化2009年第25卷第5-1期 元/年现场总线技术应用200例仿真技术图2单节点仿真等效电路图不加电容时系统阻抗随着频率的变化关系，如图3所示。从图中可以看出，在170MHz 频率处出现最大阻抗。最大阻抗左边的正向阻抗是由于VRM 的电感性质导致，右边的负向阻抗是由于电源/地平面的电容性质导致。图3不加电容时的仿真波形在不加任何去耦电容的情况下，系统阻抗没有达到

9、目标阻抗的要求，所以必须加上适量大小的电容来减小系统阻抗。假设加上1个10，一个1，一个100，一个10电容之后，仿真波形如图4所示。图410uF ，1uF ，100nF ，10nF 电容各并联一个时的仿真波形从图4可以看出，使用电容后，某些频段内阻抗下降，最高阻抗位置右移。本系统中DDR 工作最高频率266MHz ，在该频率下系统阻抗高于目标阻抗，所以有必要增加电容个数。单节点仿真确定电容数量后，就需要通过多节点仿真来确定电容的摆放位置。因为每个去耦电容只是在一定的有效半径范围内起作用，这个范围和去耦电容的谐振频率相关，频率越高，起作用的有效半径越小。多节点仿真将整个电源平面分割成用户定义的

10、网格尺寸后，根据PCB 板的实际情况放置VRM 和噪声源，然后产生每个节点的阻抗-频率关系图。这样如果某个节点阻抗不满足目标阻抗要求，就需要调整电容位置。本系统中，将DDR SDRAM 电源层分成8×8的网格，然后将同一种类型的电容均匀地安排在各个网格上，其仿真结果如图5所示，从仿真结果来看，在DDR 最高工作频率266MHz 上，所有网格上的阻抗都满足了系统目标阻抗的要求。所以该电容布局是可行的。图5多节点仿真结果3结束语良好的电源分配网络是高速PCB 正常工作的重要保证。文章简要叙述了电源分配网络的建模，然后利用SPECCTRAQuest 工具进行电源仿真性仿真，对DDR SDR

11、AM 电路中的电容数量和布局进行验证。实际测量结果表明，经过该验证后的PDS 工作稳定，和仿真结果基本一致。所以电源完整性仿真在电路设计过程中是十分必要的，通过仿真来模拟真实系统的行为，可以提高设计效率，缩短开发周期。创新点：利用SPECCTRAQuest 工具进行电源仿真性仿真，对DDR SDRAM 电路中的电容数量和布局进行验证。电源完整性仿真在电路设计过程中是十分必要的，通过仿真来模拟真实系统的行为，可以提高设计效率，缩短开发周期。参考文献1StephenH Hall, Garrett W H, James A. High -speed Digital System Design. Wi

12、ley-interscience Publication, 2000.2512MbDDR SDRAM MT46V32M16TG Specification. Micron Technology, Inc., 2000.3刘文军，开关电源模糊控制PID 的设计和MATLAB 仿真研究J，微计算机信息，2006作者简介：杜丽霞, 女，1968出生，兰州交通大学电子与信息工程学院电子教研室主任，民进人士，副教授，从事电路系统研究。Biography:DU Li -xia 1968Gender (minorityethnic, Female (theHan nationality Province,

13、gansu dingxi Working company (university,College of Electronic and Information Engineering Lanzhou Jiaotong University Major , master Research area. ，elec -tronics.(730070兰州兰州交通大学电子与信息工程学院 杜丽霞曹岩（School of Electronic &Information Engineering LanzhouJiaotong University,Lanzhou 730070）DU Li-xia通讯地址:（730070兰州交通大学电子与信息学院407#信箱）杜丽霞1AÁÂÃÄÅÆÇÈÉ Å Â ÅÈÉ Å Â ÅÇ Æ ÆÇ