一种高效改善封装电源分配网络阻抗的方法与流程

本发明涉及电路设计，具体涉及一种高效改善封装电源分配网络阻抗的方法。

背景技术：

1、电源分配网络(power distribution network,pdn)是将电源功率从源端输送给负载的电路路径，电流通过pdn的电源平面从电源端流向负载端，再通过pdn的地平面从负载端流回电源端。电源分配网络的作用是为负载提供稳定的电压，并快速响应负载电流变化、减小开关噪声。

2、封装中的电源分配网络(pdn)需要保持芯片焊盘间的供电电压恒定，使其维持在一个很小的容差范围内。电源噪声出现的主要原因是pdn阻抗突变导致的电压降，为了改善封装pdn噪声问题，需要将pdn阻抗控制在目标阻抗以下。通过在封装pdn平面添加去耦电容可以改变pdn的阻抗，该过程的核心在于确定去耦电容的种类和数量，现有的方法是在封装pdn上添加上去耦电容之后再进行pdn阻抗仿真，若pdn阻抗不符合要求，则需要重新添加和更改封装上的去耦电容，再进行pdn仿真，直到得出的pdn结果符合要求。现有技术的这种方法中，当pdn阻抗不符合要求需要更改去耦电容型号或容值时，要在封装上修改去耦电容模型以及电容名，若去耦电容数量较多，此过程将非常耗时。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的上述不足，本发明要解决的技术问题是：如何提供一种能有效提高去耦电容选择的有效性，减少耗时的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法。

2、为了解决上述技术问题，本发明采用如下技术方案：

3、一种高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，包括以下步骤：

4、步骤1)确定目标阻抗、电源分配网络产生作用的最高截止频率和最低截止频率；

5、步骤2)仿真得到封装电源分配网络的平面电容，并根据该平面电容计算得出所需最小去耦电容器的容值；

6、步骤3)仿真得到封装电源分配网络的实际阻抗-工作频率曲线，并根据实际阻抗-工作频率曲线确定所需最大去耦电容器的容值，结合步骤2)得到的所需最小去耦电容器的容值，得到所需去耦电容器的容值范围；

7、步骤4)计算得到满足目标阻抗所需去耦电容器的最小数量值；

8、步骤5)根据步骤3)确定的去耦电容器的容值范围和步骤4)确定的去耦电容器的最小数量值，将去耦电容器和封装电源分配网络进行仿真，直到得到的实际阻抗曲线峰值低于目标阻抗；

9、步骤6)得到需要在封装电源分配网络上添加的去耦电容器的容值和数量。

10、优选的，步骤1)中目标阻抗的计算公式为：

11、

12、式中：ztarget为目标阻抗，vdd为电源分配网络特定轨道的供电电压，ripple％为可允许的波纹，imax为电源分配网络特定轨道的最大峰值电流。

13、优选的，步骤2)中，将平面电容的容值取三分之一作为参考容值，得到与参考容值最接近的电容器的容值，并以该电容器的容值作为所需的最小去耦电容器的容值。

14、优选的，步骤3)中，将仿真得到的实际阻抗-工作频率曲线与目标阻抗进行对比，得到实际阻抗峰值超过目标阻抗的最低频率作为第一频率，根据电容器的阻抗-频率曲线，得到电容器表现为容性的频率范围，选择在第一频率表现为容性的最大电容器的容值作为所需最大去耦电容器的容值。

15、优选的，步骤3)中，根据最大去耦电容器的容值和最小去耦电容器的容值确定的容值范围得到全部可供选择的去耦电容器的容值；且各个去耦电容器的容值根据其相邻两个去耦电容器容值的几何平均值确定。

16、优选的，步骤4)中，根据以下公式计算得到所需去耦电容器的最小数量值：

17、

18、式中：n为所需去耦电容器的最小数量值，fmax为电源分配网络的最高截止频率，esl为去耦电容器等效串联电感，ztarget为目标阻抗。

19、优选的，步骤5)中，通过仿真生成包含有封装电源分配网络特性的s参数文件，与包含有去耦电容器rlc参数的子电路文件在spice中组成级联电路模型，用来等效添加去耦电容器之后的电源分配网络，实现去耦电容器和电源分配网络的仿真。

20、优选的，步骤将容值范围内的去耦电容器按容值从大到小的顺序依次与包含有封装电源分配网络特性的s参数文件进行级联，不同容值去耦电容器的添加数量以添加该容值去耦电容器后阻抗曲线的阻抗峰值变化小于设定值来确定，当添加某容值去耦电容器后阻抗曲线的阻抗峰值小于设定值时，则继续添加与其相邻容值的去耦电容器进行级联，直到得到的实际阻抗曲线峰值小于目标阻抗。

21、与现有技术相比，本发明具有以下优点：

22、1、本发明将提取的封装pdn和去耦电容在仿真软件(如spice)中组合成电路进行仿真获得阻抗，此时的阻抗就是添加了去耦电容之后的pdn阻抗，此时直接在仿真软件中更改去耦电容的子电路模型和数量来获得低于目标阻抗的最佳pdn曲线，而不需要在封装上修改去耦电容模型以及电容名，减少了去耦电容选择的时间。

23、2、本发明预先确定了所需去耦电容的容值范围和所需去耦电容器的最小数量值，大大提高了去耦电容容值和数量选择的有效性和针对性，然后利用spice模拟器对添加去耦电容后pdn的阻抗进行仿真模拟，在模拟过程中，通过改变spice电路中的去耦电容子电路模型便可以调整去耦电容参数，每一次迭代仿真速度非常快，提高了电源分配网络pdn阻抗的仿真效率，同时又可以得到使用最小数量的去耦电容器达到目标pdn阻抗的电容添加方式，有效提高经济效益。

技术特征：

1.一种高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤1)中目标阻抗的计算公式为：

3.根据权利要求1所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤2)中，将平面电容的容值取三分之一作为参考容值，得到与参考容值最接近的电容器的容值，并以该电容器的容值作为所需的最小去耦电容器的容值。

4.根据权利要求1所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤3)中，将仿真得到的实际阻抗-工作频率曲线与目标阻抗进行对比，得到实际阻抗峰值超过目标阻抗的最低频率作为第一频率，根据电容器的阻抗-频率曲线，得到电容器表现为容性的频率范围，选择在第一频率表现为容性的最大电容器的容值作为所需最大去耦电容器的容值。

5.根据权利要求4所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤3)中，根据最大去耦电容器的容值和最小去耦电容器的容值确定的容值范围得到全部可供选择的去耦电容器的容值；且各个去耦电容器的容值根据其相邻两个去耦电容器容值的几何平均值确定。

6.根据权利要求1所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤4)中，根据以下公式计算得到所需去耦电容器的最小数量值：

7.根据权利要求1所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，步骤5)中，通过仿真生成包含有封装电源分配网络特性的s参数文件，与包含有去耦电容器rlc参数的子电路文件在spice中组成级联电路模型，用来等效添加去耦电容器之后的电源分配网络，实现去耦电容器和电源分配网络的仿真。

8.根据权利要求7所述的高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，其特征在于，将容值范围内的去耦电容器按容值从大到小的顺序依次与包含有封装电源分配网络特性的s参数文件进行级联，不同容值去耦电容器的添加数量以添加该容值去耦电容器后阻抗曲线的阻抗峰值变化小于设定值来确定，当添加某容值去耦电容器后阻抗曲线的阻抗峰值小于设定值时，则继续添加与其相邻容值的去耦电容器进行级联，直到得到的实际阻抗曲线峰值小于目标阻抗。

技术总结本发明公开了一种高效改善封装电源分配网络阻抗的方法，包括以下步骤：确定目标阻抗、最高/低截止频率；仿真得到封装PDN的平面电容，并计算得出所需最小去耦电容器的容值；根据PDN实际阻抗‑工作频率曲线确定所需最大去耦电容器的容值，并得到所需去耦电容器的容值范围；计算得到满足目标阻抗所需去耦电容器的最小数量值；将去耦电容器和封装电源分配网络进行仿真，直到得到的实际阻抗曲线峰值低于目标阻抗；得到需要在封装电源分配网络上添加的去耦电容器的容值和数量。本发明能有效提高去耦电容选择的有效性，减少耗时。技术研发人员：袁欣杰,黎力,张仕红,李庆,李春龙,熊纪军,孙海明,关立军受保护的技术使用者：芯云凌（重庆）电子科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/11/21