[发明专利]基于无损谐振腔电源地平面建模的PDN电容优化方法

摘要

本发明公开了一种基于无损谐振腔电源地平面建模的PDN电容优化方法。其实现步骤是：1)设计电源分配网络中输入的相关参数；2)根据1)的结果计算初始的电源分配网络阻抗值；3)根据1)设计的参数计算去耦电容器个数；4)根据2‑3)的结果计算实际的电源分配网络阻抗值Z；5)判断离散频率点f_n与最大目标频率f_max的关系：若f_n＜f_max，则执行步骤6)，若f_n＝f_max，则输出步骤3)的结果；6)将Z与1)设计的目标阻抗Z_t作比较：若Z＞Z_t，返回步骤3)，否则，对离散频率点的下标n加1，返回步骤4)。本发明拓展了目标频段，在满足电源分配网络设计要求的条件下减少了电容器个数，可用于高速系统的设计分析。

主权项

1.一种基于无损谐振腔电源地平面建模的PDN电容优化方法，包括：(1)参数预处理步骤：1a)根据集成芯片IC最大工作电流I_max、稳压电源电压V_o、纹波系数r，计算电源分配网络的目标阻抗Z_t，同时确定需要满足目标阻抗的目标频率范围f_min～f_max；1b)通过软件仿真或是仪器设备确定稳压电源的等效电阻R_o和等效电感L_o参数以及稳压电路中的大容量电解电容的等效电阻R_b、等效电感L_b、等效电容C_b；1c)利用FastHenry软件依次提取集成芯片IC的封装引线、过孔相对应的寄生电阻R_p和寄生电感L_p；1d)对印刷电路板PCB进行单位网格化分割，确定稳压电源的端口I(x_i,y_i)和集成芯片端口J(x_j,y_j)，其中(x_i,y_i)表示稳压电源在PCB板上的位置坐标，(x_j,y_j)表示集成芯片在PCB板上的位置坐标；1e)对设计中所需要用到的去耦电容器的种类进行标记，记为1，2，3，……，m，每种类型标记的参数包括电容器的电容值C[m]、等效电阻值R[m]、等效电感值L[m],根据这些参数计算去耦电容器的自谐振频率：(2)计算初始电源分配网络阻抗步骤：2a)依据1b)、1c)中所提取确定的稳压电源的等效电阻R_o、等效电感L_o，大容量电解电容的等效电阻R_b、等效电感L_b、等效电容C_b，IC封装引线、过孔的寄生电阻R_p、寄生电感L_p，分别计算稳压电源等效阻抗Z_o(f)，大容量电解电容等效阻抗Z_b(f)，IC封装过孔等效阻抗Z_p(f)，其中f是频率；2b)依据无损谐振腔电源地平面建模方法，分别计算稳压电源端口I的自阻抗系数Z_ii(f)、集成芯片端口J的自阻抗系数Z_jj(f)、稳压电源到集成芯片间的转移阻抗系数Z_ij(f)、集成芯片到稳压电源间的转移阻抗系数Z_ji(f)；将这些阻抗系数Z_ii(f)、Z_jj(f)、Z_ij(f)、Z_ji(f)代入转换公式中，计算得到T型阻抗网络中对应的等效并联阻抗Z_pc(f)和第一等效串联阻抗Z_sc1(f)、第二等效串联阻抗Z_sc2(f)；再结合2a)中稳压电源等效阻抗Z_o(f)，大容量电解电容等效阻抗Z_b(f)，IC封装过孔等效阻抗Z_p(f)，计算得到初始电源分配网络的等效阻抗Z_i(f)；(3)比较各离散频率点下电源分配网络阻抗值与目标阻抗步骤：3a)对给定目标频段进行离散化处理，得到以最小频率f_min为起始频率点f₀，最大频率f_max为终止频率点f_N的离散频率点的集合：f₀、f₁…f_n…f_N‑1、f_N；3b)根据电源分配网络的阻抗值是频率的函数Z(f)，在离散频率点f_n小于等于最大频率f_max的前提下，计算离散频率点f_n对应的电源分配网络的等效阻抗Z(f_n)，并将其与目标阻抗Z_t进行比较，若Z(f_n)＞Z_t，则标记该频率点F＝f_n，执行步骤(4)；否则，执行步骤3c)；3c)令离散频率点下标n＝n+1，得到新的离散频率点f_n，返回步骤3b)；(4)添加去耦电容器步骤：4a)用1e)中所有可用去耦电容器的自谐振频率值f_r[m]分别减去步骤3b)标记的频率点的值F，获得与该频率点的值F差值最小的自谐振频率值所对应的去耦电容器，并将该去耦电容器标记为当前电容器C[u]；4b)计算当前电容器C[u]在当前电源分配网络中的最少使用个数N_o[u]，在此基础上重新计算电源分配网络阻抗值Z(f_n)，若Z(f_n)＞Z_t，令N[u]＝N_o[u]，并执行步骤4c)；否则，返回步骤3c)；4c)对当前电容器C[u]的最少使用个数N_o[u]进行微调处理，重新计算电源分配网络阻抗值Z(f_n)，直到满足条件Z(f_n)＜Z_t，并得到微调后的电容器使用个数N[u]，返回步骤3c)；(5)输出优化结果步骤：5a)依据步骤(2)得到的离散频率对应的初始电源分配网络阻抗值Z_i(f_n)，利用工程计算软件MATLAB输出目标频率范围f_min～f_max的初始电源分配网络的阻抗曲线Q1；5b)依据步骤3b)得到的离散频率对应的电源分配网络阻抗值Z(f_n)，利用工程计算软件MATLAB输出目标频率范围f_min～f_max的电源分配网络的阻抗曲线Q2；5c)依据步骤4b)中所选用去耦电容器的种类C[u]和使用个数N[u]，利用工程计算软件MATLAB输出目标频率范围f_min～f_max的已选用并联电容器的阻抗曲线Q3。