应用于DDR2/3之补偿式IBIS切换电流模型

摘要:高速接口传输领域中,电源完整性模拟是一个非常重要的课题。然而,它需要非常完整且复杂的信道与信号模型,才能充分描述电源与信号网络的行为,并且在许多激发源同时存在时,能精准地预测同步切换电流所引发的电源噪声。除此之外,信号源的模型,IBIS模型,在仿真时也扮演着重要的角色,特别是它会决定进入电源网络切换电流噪声的大小。本文提出一种改善IBIS模型的方案,利用标准的IBIS模型与一个外加的补偿式切换电流单元,可以增加IBIS 模型的预测噪声能力与精确度,使得IBIS 模型在协同设计时,能更有效地预测真实DDR2/DDR3同步切换电流的噪声。

关键词:电源网络噪声;电源完整性;IBIS 模型;同步切换电流的噪声;协同设计

A IBIS based Compensated Switching

Current Model Apply to DDR2/3 System

Po-Ming Tseng

(Faraday Technology, Design Development Dept.)

Abstract: The simulation of Power Integrity (PI) are the essential issue in the field of high speed I/O interface designs, and they require the complete models of whole power delivery network (PDN) to provide accurate behaviors and enable the prediction of supply noise introduced by the noise stimulus source in system. Moreover, the signal model, like IBIS model, is also an issue to simulate more accurate noise to the power delivery network. In this paper, we proposed new methodology to compensate the traditional IBIS model to achieve more realistic behaviors of SSN of DDR2/DDR33 System.

Keywords: PDN, IBIS, SSN, PI

1引言

在许多高速输入/输出接口( I/O Interface ) 中,如DDR2/DDR3,同步切换电流噪声(Simultaneous Switching Noise) 是一项重要的参数,特别是在所应用的电源电压(Supplied Voltage)越来越低的趋势下,更是如此。然而,电源传递系统(Power Delivery Network,PDN)模型的取得是一个复杂的模型化过程。标准的IBIS模型伴随着三维电磁场分布模型(3D EM Distribution Model) 的方式,是一个经常被使用且有效的模拟的方式,特别是针对DDR2/DDR3 等高速数据传输系统。标准的IBIS模型,可以用来仿真输入/输出缓冲( I/O Buffer )信号的真实行为,当信号过渡(Transition)时,IBIS 模型会产生瞬间的切换电流(Switching Current),而切换电流进入电源传递系统后,就会引发电源/接地噪声 (Power/GND Bounce),若电源/接地噪声过大,将会导致输入/输出缓冲无法正常运作或是过大的抖动(Jitter)[1]。

目前来说,一部分的同步切换电流,并无法在标准的IBIS 模型中完全被反应出来,这是由于标准的IBIS 模型并不能描述输出前级驱动(Pre-Driver) 的切换电流行为。同样地,IBIS 模型也不能描述和输入/输出端口中相关的内部芯片布局(Physical Layout)杂散效应。这些现象都会在模拟与量测之间产生一些误差,使得运用标准IBIS 模型仿真时,并不容易精准地预测电源/接地的噪声水平。 图1 说明运用IBIS模型仿真与量测数据在电源/接地噪声之间的差异。显然,IBIS 模型仍存在一些可以改善的空间,这也就是本文中所提出的改善方法,利用一个补偿式电流模型单元 (Compensated Current Model Unit ) 来补偿标准IBIS模型所产生的电源/接地切换电流的不足之处。

2离散时间之线性时变系统

离散线性时变系统(Discrete-Time Linear Time-Invariant System)中,输入信号与输出信号存在着线性时变的关联性。假若时域响应中,给一个激发源 x(n) 与一个和激发源连接的离散转移函数h(n),而产生一个反应 y(n),可表示为y(n) = h(n) * x(n) 其中 “*”是卷积运算符(Convolution Factor)。 假若 h(n) 可以透过某些程序得到,并且输出函数 y(n) 为可量测之已知的数值,输入信号 x(n) 可通过傅里叶函数,表示成以下数学式:

X(e■)=■x(n)e■

上述表示式代表x(n) 在离散频域中的行为响应,同理,(e■)的逆傅里叶函数( Inverse-FFT ) 可以表示为以下数学式:

x(n)=■■X(e■)e■dω

藉由X(e■)与 x(n)的转换,许多复杂的信号问题可以被简化,特别是在本文中所希望求取的芯片内部电源/接地电压与电流噪声的问题。

一般而言,电源传递网络(PDN) 多具有低通及线性时变的特性,而I(t) 与 V(t) 都是以电源传递网络为介质来传递电流与电压的时变波形。I(t) 与 V(t)取样后的表示式分别为 i(n) 与 v(n)。富利函数转换后的i(n) 可表示为富利函数转换后的v(n)除以富利函数转换后的 h(n),以 I(e■)=V(e■)/H(e■)来表示。此时,时域的I(t) 就可利用逆傅里叶函数转换(Inverse-FFT )后的I(e■)来求得。因此,如果 V(t) 可以由示波器的量测资料来取得,而电源传递网络频域离散可以由脉冲响应(Impulse Response )求得,那么,就很容易可以取得存储系统中的同步切换电流的电流模型。

3补偿式电流切换单元模型流程

为了强化标准IBIS 模型的精准度,我们提出了一个有效的流程(Flow)来获取标准IBIS模型中所遗失的同步切换电流部分,并且加以补偿,而上述的这些遗失的切换电流成分,主要是来自于前输出缓冲及内部线路之物理布局。本文中,所提出的方法,将会通过电源完整性分析,产生一个补偿式的电流单元后,再反馈输入原来的标准的IBIS模型。图2 简单地用一个图示来描述补偿式电流单元与原IBIS 模型之间的差异。为了达成上述目的,首先,需要一个外部的量测数据,以间接求得电路内部的真实瞬时切换电流,并利用电流差异补偿标准IBIS 模型中所产生的切换电流误差。接下来的部分,将逐一介绍理论与获取补偿式电流单元的过程。

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图3是本文所提出的一个流程,用以取得DDR2 /DDR3 之IBIS模型补偿式切换电流单元。首先,通过量测,从示波器取得电源/接地噪声的数据,并从时域(Time Domain)格式转换为频域格式,在Non-OS 的测试平台下,让存储控制器处理输出1 bit 的输入信号,并记录相关的时域噪声波形V(t) 如图4中的蓝色曲线。 接着利用傅里叶函数转换,将V(t) 转成包含振幅和相位的频域响应,如图5所示,为了取得较精准的频谱响应分布,过程中,可利用逆傅里叶(Inverse-FFT)函数,将频域数据再次转回时域资料后,如图4中的红色曲线,并与原来的V(t) 做比对,务必取得二者间最小之误差,以减小不同格式转换时的数值不确定性,在流程图中,这过程是以“Loop-A”来表示。

图6是电源传递网络的Z参数,其中包含输入阻抗( Z11) 与输出阻抗(Z22)。电源传递网络的建立,成分包含芯片内部电源/接地耦合电容、封装电源/接地平面、PCB电源/接地平面与PCB电源/接地耦合电容[2][3][4]。使用脉冲响应 (Impulse Response)的技巧,可以将电源传递网络的Z 参数转换为离散(Discrete Time)的格式,这种格式转换的目的是有利于后续数据的处理。

图3中,当V(e■)与H(e■)都成为已知后, I(e■)=V(e■)/H(e■)就可以被假设为内部同步切换电流的频域离散初始值。一般而言,电源传递网络多具有低通的特性,在电源/接地噪声V(t) 在卷积运算的过程(Convolution Calculation ),有些高频成分会被滤掉,因此造成求解之切换电流 I '(e■)将存在二组以上的存在解(Solution)。 因此,第一次电流转换结果,只能视为电流的初始值。利用优化的过程 (Optimization and Iterations),电源/接地噪声的频域解,可以被完整且精确的求得。 取得电源/接地噪声的频域解后,再利用逆傅里叶函数的技巧,就可以取得电源/接地噪声在时域上的最终解I(t)。 图7与 图8 中,“红色曲线” 是标准的IBIS 模型及其相关的电源传递网络所仿真的结果[5],而“蓝色曲线” 则是本文章所提供的方法所产生的电源/接地噪声电流。二曲线之间存在的差异即是我们希望补偿的电流。图8中,“绿色曲线” 即为希望补偿的电流值。

4验证结果

为了证明本文所提出的方法可以有效地强化标准IBIS模型对于电源/接地噪声的仿真预测能力,必须要执行还原模拟的实验。图9中,“蓝色曲线”代表独立的标准IBIS模型所仿真的噪声结果,“红色曲线”是示波器上量测曲线。而“绿色曲线” 则是IBIS 模型与补偿式的电流单元协同仿真(Co-Simulation)后的曲线。从三条曲线的结果可以明显地发现本文所提出的“补偿式切换电流单元”方法是有足够的精准度。因此,补偿式切换电流单元可以用来加强传统的IBIS 模型,特别是应用DDR2/DDR3 的系统层级协同设计(System Co-Design)。

5结论与展望

补偿式切换电流单元配合标准的IBIS模型,在协同仿真(Co-Simulation)后,可以增加同步切换电流对电源噪声的预测精准度。过程中,需要从PCB上量取动态的电压数据,再反推回芯片内部的切换噪声电流,进而求得补偿式切换电流单元。透过流程控制可以更有序地掌握相关的细节,未来可将流程程序化,以掌握更精准与效率的优化途径。除此之外,设法优化封装与电路板的电源网络阻抗以降低电源噪声,是对于DDR2/DDR3同步切换电流噪声最有效的抑制方法。而许多抑制切换电流噪声的技术也一直在相关的研究中进行,期待往更高速的传输速度前进时,能有效地减少同步切换电流噪声。

参考文献

[1] Dr. Broke JaMeres Kim,etc, “Characterization Methodology for High Fensity Microwave Fixtures” DesignCon2008,Jan. 2008.

[2] John Kane“Optimizing Power Delivery Performance through Chip-Package-Board Co-design” User Conference 2007, Taiwan

[3] Ralf Schmitt and Joong-Ho Kim,etc, “Analyzing the Impact of Simultaneous Switching Noise On System Margin in Gigabit Signal-Ended Memory Systems” DesignCon2008,Jan. 2008.

[4] Bernd Garben and Roland Frech, etc,“Frequency Dependencies of Power Noise” IEEE Transaction ON Advanced Packaging, VOL.25, No.2, MAY 2002.

[5] Kaladhar Radhakrishman, Yuan-Liang Li, etc , “ Integrated Modeling Methodology for Core and I/O Power Delivery” IEEE Electronic Component and Technology Conference, Jan. 2001.

作者简介

曾博民,设计发展部 协理 智原科技(上海)有限公司;

赖颍俊,设计发展部 经理 智原科技(上海)有限公司;

张哲玮,设计发展部 经理 智原科技(上海)有限公司;

陈宏铭,技术市场部 总监 智原科技(上海)有限公司。

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