基于片上去耦电容的配电网络
2014年机械工业出版社出版社出版(以色列)Renatas Jakushokas编著图书。
基于片上去耦电容的配电网络基本信息
| 中文名称 | 基于片上去耦电容的配电网络 | 装帧 | 平装 |
|---|---|---|---|
| 定价 | 120.00元 | 作者 | (以色列)Renatas Jakushokas |
| 出版社 | 机械工业出版社 | 出版日期 | 2014-2-15 |
| ISBN | 9787111449294 | 丛书 | 国际信息工程先进技术译丛 |
| 原作名 | Power Distribution Networks with On-Chip Decoupling Capacitors | 译者 | 续海涛 |
作者:(以色列)伽库绍卡斯 译者:续海涛 译者:胡子一 译者:韩荆宇
基于片上去耦电容的配电网络造价信息
原书第1版前言
关于作者
第1部分 一般性背景
第1章 概述2
1.1集成电路技术的发展 3
1.2设计目标的发展 5
1.3配电的问题 8
1.4配电噪声的不利影响 12
1.4.1信号延时的不确定性 12
1.4.2片上时钟抖动 13
1.4.3噪声裕度降低 14
1.4.4栅氧化层可靠性的降低 14
1.5小结 14
第2章 电路的感性特性 16
2.1电感的定义 16
2.1.1场能量的定义 16
2.1.2磁通量的定义 18
2.1.3局部电感 21
2.1.4网电感 25
2.2电感随频率的变化 26
2.2.1均匀电路密度假定 26
2.2.2电感变化机制 27
2.2.3电路简化模型 28
2.3电路的感性行为 31
2.4片上互连线的电感特性 33
2.5小结 35
第3章 片上感性电流回路的特性 36
3.1简介36
3.2电感与线长的关系 36
3.3两个并行回路段的感性耦合 40
3.4电路分析的应用 41
3.5小结 42
第4章 电迁移 43
4.1电迁移的物理机制 43
4.2电迁移引起的机械应力 45
4.3电迁移损害的稳态限制 46
4.4电迁移寿命与互连线尺寸的关系 47
4.5电迁移寿命的统计分布 49
4.6在交流电流下的电迁移寿命 50
4.7铝和铜互连工艺的比较 51
4.8电迁移可靠性设计 52
4.9小结 53
第5章 去耦电容 54
5.1去耦电容简介 54
5.1.1历史回顾 54
5.1.2去耦电容当作电荷的蓄水池 55
5.1.3去耦电容的现实模型 57
5.2带去耦电容的配电网络的阻抗 59
5.2.1配电系统的目标阻抗 59
5.2.2反共振 61
5.2.3去耦电容结构化分布的水力学类比 65
5.3固有和策划的片上去耦电容 67
5.3.1固有去耦电容 67
5.3.2策划去耦电容 69
5.4片上去耦电容的类型 71
5.4.1PIP电容71
5.4.2MOS电容 73
5.4.3MIM电容 78
5.4.4侧面通量电容 79
5.4.5不同片上去耦电容的对比 82
5.5片上开关稳压器 83
5.6小结 85
第6章 片上电源分配噪声的缩减趋势 86
6.1缩减模型 86
6.2互连特性 88
6.2.1全局互连特性 89
6.2.2网格电感的缩减 89
6.2.3倒装芯片封装特性 90
6.2.4片上电容的影响 91
6.3电源噪声模型 91
6.4电源噪声缩减 92
6.4.1恒定金属厚度方案分析 92
6.4.2缩减金属厚度方案分析 93
6.4.3电源噪声的ITRS缩减 94
6.5噪声缩减的含义 97
6.6小结 97
第7章 第1部分小结 99
第2部分 电源系统设计
第8章 高性能配电系统 102
8.1配电网络的物理结构 102
8.2配电系统的电路模型 103
8.3配电系统的输出阻抗 105
8.4带有一个去耦电容的配电系统 107
8.4.1阻抗特性 107
8.4.2单层去耦方案的局限 110
8.5去耦电容的层次化布局 111
8.6配电网络中的谐振 117
8.7全阻抗补偿 121
8.8实例分析 123
8.9设计依据 125
8.9.1去耦电容器电感 125
8.9.2互连线电感 126
8.10一维电路模型的局限性 127
8.11小结 128
第9章 片上配电网络 129
9.1片上配电网络的类型 129
9.1.1片上配电网络的基本结构 129
9.1.2提高片上配电网络的阻抗特性 133
9.1.3阿尔法微处理器中配电网络的演化史 134
9.2裸片封装接口 135
9.3其他考虑 138
9.4小结 139
第10章 计算机辅助设计与分析 140
10.1片上配电网络的设计流程 140
10.2配电网络的线性分析 144
10.3配电网络的建模 145
10.4表征片上电路的电源电流需求 149
10.5配电网络分析的计算方法 150
10.6片上去耦电容器的分配 155
10.6.1基于电荷的分配方法 156
10.6.2基于过噪声幅度的分配策略 157
10.6.3基于过电荷的分配策略 158
10.7小结 159
第11章 快速电压降分析的闭式表达式 160
11.1FAIR的背景 160
11.2对电压降分析的解析 162
11.2.1单电源和单电流负载 162
11.2.2单电源和多电流负载 164
11.2.3多电源和单电流负载 166
11.2.4多电源和多电流负载 167
11.3电源网格分析的局部性 169
11.3.1电源网格中的空间局部性原理 169
11.3.2空间局部性对计算复杂度的影响 171
11.3.3在FAIR中利用空间局部性 171
11.3.4误差修正窗 173
11.4实验结果 173
11.5小结 178
第12章 第2部分小结179
第3部分 配电网络中的噪声
第13章 片上配电网格的电感特性 182
13.1输电电路 182
13.2仿真设定 183
13.3网格类型 184
13.4电感与线宽的关系 188
13.5网格类型对电感的影响 188
13.5.1非交叉指型网格与交叉指型网格的比较 188
13.5.2配对型网格与交叉指型网格的比较 189
13.6影响电感的网格尺寸 189
13.6.1影响电感的网格宽度 190
13.6.2影响电感的网格长度 190
13.6.3电网的方块电感 191
13.6.4网格电感的高效计算方法 191
13.7小结 192
第14章 网格电感随频率的变化特性 194
14.1分析步骤 194
14.2电感变化特性的探讨 195
14.2.1电路模型 195
14.2.2对电感变化特性的分析 197
14.3小结 199
第15章 电感、面积和电阻之间的折衷 200
15.1在网格面积不变的约束下电感与电阻的折衷 200
15.2在网格电阻不变的约束下电感与面积的折衷 203
15.3小结 205
第16章 交叉指型电源/地分布网络的电感模型 206
16.14对型基本结构 207
16.2含有大量交叉指对的电源/地分布网络 207
16.3比较与讨论 211
16.4小结 214
第17章 片上电源噪声抑制技术 215
17.1添加片上低噪声地来抑制地噪声 216
17.2决定地弹抑制的系统参数 217
17.2.1噪声电路和噪声敏感电路之间的物理距离 218
17.2.2频率和电容的变化 219
17.2.3额外接地通路的阻抗 220
17.3小结 221
第18章 片上配电网络中噪声的影响 222
18.1芯片封装共振中的尺度效应 222
18.2配电噪声的传播 224
18.3局部电感特性 225
18.4小结 228
第19章 第3部分小结229
第4部分 片上去耦电容器的布局
第20章 片上去耦电容器的有效半径232
20.1背景 233
20.2基于目标阻抗的片上去耦电容器有效半径234
20.3估算所需的片上去耦电容值 236
20.3.1电阻性噪声主导 236
20.3.2电感性噪声主导 237
20.3.3连线的临界长度 239
20.4由充电时间决定的有效半径 242
20.5针对片上去耦电容器布局的设计方法 245
20.6片上配电网络模型 246
20.7实例分析 248
20.8设计意义 251
20.9小结 252
第21章 分布式片上去耦电容器的有效布局 254
21.1工艺约束 254
21.2在纳米级IC中片上去耦电容器的布局 255
21.3分布式片上去耦电容网络的设计 257
21.4分布式片上去耦电容网络中的设计折衷 261
21.4.1关于R1系统参数的决定因素 261
21.4.2C1最小值 262
21.4.3片上去耦电容总预算的最小值 262
21.5分布式片上去耦电容器系统的设计方法 264
21.6实例分析 266
21.7小结 269
第22章 分布式片上电源和去耦电容器的协同设计270
22.1问题的出现 271
22.2电源和去耦电容器的协同布局 272
22.3实例分析 274
22.4小结 275
第23章 第4部分小结277
第5部分 多层配电网络
第24章 多层电网的阻抗特性 280
24.1多层网格的电气特性 281
24.1.1单层网格的阻抗特性 281
24.1.2多层网格的阻抗特性 283
24.2双层网格的实例研究 284
24.2.1仿真设置 285
24.2.2网格层之间的电感耦合 285
24.2.3双层网格的电感参数 287
24.2.4双层网格的电阻参数 288
24.2.5在双层网格中阻抗随频率的变化量 289
24.3设计意义 290
24.4小结 291
第25章 多层交叉指型配电网络 292
25.1单金属层特性 293
25.1.1使阻抗最小的最优宽度 294
25.1.2最优线宽的特性 296
25.2多层优化 299
25.2.1第一种方案——等电流密度 300
25.2.2第二种方案——最小阻抗 303
25.3探讨 305
25.3.1比较 305
25.3.2布通率 305
25.3.3忠实度 307
25.3.4临界频率 308
25.4小结 309
第26章 第5部分小结 310
第6部分 多电压电源网络系统
第27章 多片上电源系统 312
27.1多电源电压IC312
27.1.1多电源电压技术 313
27.1.2CVS314
27.1.3ECVS315
27.2多电源电压IC的挑战 316
27.2.1芯片面积 316
27.2.2功耗 316
27.2.3设计复杂度 317
27.2.4布局和布线 317
27.3有效电源电压的最佳数目和量值 320
27.4小结 323
第28章 多供电电压的片上配电网格 324
28.1背景 325
28.2仿真建立 326
28.3双电压双地配电网格 327
28.4DSDG交叉指型网格 329
28.4.1I型DSDG交叉指型网格 329
28.4.2II型DSDG交叉指型网格 330
28.5DSDG配对网格 331
28.5.1I型DSDG配对网格 332
28.5.2II型DSDG配对网格 333
28.6仿真结果 335
28.6.1无去耦电容的交叉指型配电网格 340
28.6.2无去耦电容的配对配电网格 341
28.6.3具有去耦电容的配电网格 343
28.6.4电源噪声随电流负载开关频率变化的关系 345
28.7设计意义 347
28.8小结 347
第29章 多电压配电系统的去耦电容 349
29.1配电系统的阻抗 350
29.1.1配电系统的阻抗介绍 350
29.1.2并联电容的反共振 352
29.1.3配电系统参数对阻抗的影响 353
29.2配电系统阻抗的实例研究 356
29.3配电系统的电压传输函数 359
29.3.1配电系统的电压传输函数介绍 359
29.3.2电压传输函数随配电系统参数变化的关系 360
29.4配电系统电压响应的实例研究 364
29.4.1电压传输函数的无过冲值 364
29.4.2值和频率范围间的折衷 365
29.5小结 368
第30章 第6部分小结369
第7部分 综述与附加材料
结束语371
附录373
附录A 交叉指型P/G网络初始最佳宽度的估计 373
附录B 多层交叉指型配电网络的首要优化方法 373
附录C 多层交叉指型配电网络的次要优化方法 374
附录D DSDG完全交叉指型配电网格的回路互感 374
附录E DSDG伪交叉指型配电网格的回路互感 375
附录F DSDG完全配对配电网格的回路互感 375
附录G DSDG伪配对配电网格的回路互感 376
参考文献378
《国际信息工程先进技术译丛:基于片上去耦电容的配电网络(原书第2版)》中实验、示例以及经验结果都来自于作者的工作和研究实践。
基于片上去耦电容的配电网络常见问题
-
这个图上是不是前段为高压配电网，中段为中压配电网，后段为低压配电网？
中段也是高压（配电网），即；变电站...箱变、台变。
-
配电网络的拓扑分析是根据配电电气元件的连接关系，把整个配电网络看成线与点结合的拓扑图，然后根据电源结点、开关结点等进行整个网络的拓扑连线分析，它是配电网络进行状态估计、潮流计算、故障定位、隔离及供电恢...
-
输电网是发电厂发出的电经过升压后输送到用户的网络，配电网是把发电厂来的高压电用变压器在变成低压输送给用户的网络。
基于片上去耦电容的配电网络文献
PDN电源地平面去耦电容网络设计
提出根据工作频段的不同分层设计去耦电容网络的思想,给出电容器去耦原理和计算方法,分析过孔和引出线等不同封装方法对去耦电容阻抗的影响。利用目标阻抗法进行10 MHz~1 GHz的频带范围内PDN的端口阻抗设计,运用目标阻抗值和自谐振点确定去耦电容的种类、型号和数目。利用Ansoft SIwave工具对所设计的去耦电容网络去耦效果进行仿真模拟。仿真结果表明:电源地平面在高频下需要的电容阻抗很小,高频段的电容阻抗比低频段电容阻抗低一个数量级,但需要的去耦电容数目多达上百个。
林区配电网电容补偿装置的应用
随着林区经济的发展,各种性质的用电负荷不断增加,无功需求大,使得功率因数低下,线损增高,66 kV主变压器供电能力下降,给配电网的安全经济运行带来极大影响。对此,我们采取一系列措施,应用电容补偿装置,提高了功率因数和供电能力,降低了电能损失,取得了较好的经济效益和社会效益,同时针对所遇到的一些问题进行探讨。
片上光网络（Optical Network-on-Chip，简称ONoC）是一种针对MPSoC（多处理器系统芯片）的新型片上网络。传统的片上网络利用电子信号来传递资料，因此称为电子片上网络（ENoC），其效能和和效率会受到芯片中金属线远少于晶体管的数量差异所限制。在许多通讯领域中，光学通讯已成功的取代了电气通讯。随着光子学技术的进展，在片上光网络上已有许多相关的研究在进行。
去耦：去除在器件切换时从高频器件进入到配电网络中的RF能量。去耦电容还可以为器件供局部化的DC电压源，它在减少跨板浪涌电流方面特别有用。
旁路：从元件或电缆中转移出不想要的共模RF能量。这主要是通过产生AC旁路消除无意的能量进入敏感的部分，另外还可以提供基带滤波功能（带宽受限）。
我们经常可以看到，在电源和地之间连接着去耦电容，它有三个方面的作用：一是作为本集成电路的蓄能电容；
二是滤除该器件产生的高频噪声，切断其通过供电回路进行传播的通路；
三是防止电源携带的噪声对电路构成干扰。
在电子电路中，去耦电容和旁路电容都是起到抗干扰的作用，电容所处的位置不同，称呼就不一样了。对于同一个电路来说，旁路（bypass）电容是把输入信号中的高频噪声作为滤除对象，把前级携带的高频杂波滤除，而去耦（decoupling）电容也称退耦电容，是把输出信号的干扰作为滤除对象。
在直流电源回路中，负载的变化会引起电源噪声。例如在数字电路中，当电路从一个状态转换为另一种状态时，就会在电源线上产生一个很大的尖峰电流，形成瞬变的噪声电压。配置去耦电容可以抑制因负载变化而产生的噪声，是印制电路板的可靠性设计的一种常规做法，配置原则如下：
●电源输入端跨接一个10～100uF的电解电容器，如果印制电路板的位置允许，采用100uF以上的电解电容器的抗干扰效果会更好。
●为每个集成电路芯片配置一个0.01uF的陶瓷电容器。如遇到印制电路板空间小而装不下时，可每4～10个芯片配置一个1～10uF钽电解电容器，这种器件的高频阻抗特别小，在500kHz～20MHz范围内阻抗小于1Ω，而且漏电流很小（0.5uA以下）。
●对于噪声能力弱、关断时电流变化大的器件和ROM、RAM等存储型器件，应在芯片的电源线（Vcc）和地线（GND）间直接接入去耦电容。
●去耦电容的引线不能过长，特别是高频旁路电容不能带引线。
说到电容，各种各样的叫法就会让人头晕目眩，旁路电容，去耦电容，滤波电容等等，其实无论如何称呼，它的原理都是一样的，即利用对交流信号呈现低阻抗的特性，这一点可以通过电容的等效阻抗公式看出来：Xcap=1/2лfC，工作频率越高，电容值越大则电容的阻抗越小.。在电路中，如果电容起的主要作用是给交流信号提供低阻抗的通路，就称为旁路电容；如果主要是为了增加电源和地的交流耦合，减少交流信号对电源的影响，就可以称为去耦电容；如果用于滤波电路中，那么又可以称为滤波电容；除此以外，对于直流电压，电容器还可作为电路储能，利用冲放电起到电池的作用。而实际情况中，往往电容的作用是多方面的，我们大可不必花太多的心思考虑如何定义。本文里，我们统一把这些应用于高速PCB设计中的电容都称为旁路电容。
一般滤波是用两个电容并联，一个大，一个小。如0.1UF 100PF 并联。
这样大的可以滤除低频，而且还可以蓄容，是电压纹波降低而小的电容滤除高频。起旁路作用。因为电容的特性是通高频，阻低频。这样组合比较好。一般在高频地方，都接一个小电容，起旁路作用。
电容的本质是通交流，隔直流，理论上说电源滤波用电容越大越好。但由于引线和PCB布线原因，实际上电容是电感和电容的并联电路，（还有电容本身的电阻，有时也不可忽略）
这就引入了谐振频率的概念：ω=1/(LC)1/2
在谐振频率以下电容呈容性，谐振频率以上电容呈感性。
因而一般大电容滤低频波，小电容滤高频波。
这也能解释为什么同样容值的STM封装的电容滤波频率比DIP封装更高。
至于到底用多大的电容，这是一个参考，电容谐振频率
电容值 DIP (MHz) STM (MHz)
1.0μF 2.5 5
0.1μF 8 16
0.01μF 25 50
1000pF 80 160
100 pF 250 500
10 pF 800 1.6(GHz)
不过仅仅是参考而已，用老工程师的话说——主要靠经验。
更可靠的做法是将一大一小两个电容并联，一般要求相差两个数量级以上，以获得更大的滤波频段。
旁路电容
旁路电容的主要功能是产生一个交流分路，从而消去进入易感区的那些不需要的能量。旁路电容一般作为高频旁路器件来减小对电源模块的瞬态电流需求。通常铝电解电容和钽电容比较适合作旁路电容，其电容值取决于PCB板上的瞬态电流需求，一般在10至470µF范围内。若PCB板上有许多集成电路、高速开关电路和具有长引线的电源，则应选择大容量的电容。"
去耦电容
有源器件在开关时产生的高频开关噪声将沿着电源线传播。去耦电容的主要功能就是提供一个局部的直流电源给有源器件，以减少开关噪声在板上的传播和将噪声引导到地。实际上，旁路电容和去耦电容都应该尽可能放在靠近电源输入处以帮助滤除高频噪声。去耦电容的取值大约是旁路电容的1/100 到1/1000。为了得到更好的EMC特性，去耦电容还应尽可能地靠近每个集成块（IC），因为布线阻抗将减小去耦电容的效力。陶瓷电容常被用来去耦，其值决定于最快信号的上升时间和下降时间。例如，对一个 33MHz的时钟信号，可使用4.7nF到100nF的电容；对一个100MHz时钟信号，可使用10nF的电容。选择去耦电容时，除了考虑电容值外，ESR值也会影响去耦能力。为了去耦，应该选择ESR值低于1欧姆的电容。
两者的区别：
从电路来说，总是存在驱动的源和被驱动的负载。如果负载电容比较大，驱动电路要把电容充电、放电，才能完成信号的跳变，在上升沿比较陡峭的时候，电流比较大，这样驱动的电流就会吸收很大的电源电流，由于电路中的电感，电阻（特别是芯片管脚上的电感，会产生反弹），这种电流相对于正常情况来说实际上就是一种噪声，会影响前级的正常工作。这就是耦合。
去藕电容就是起到一个电池的作用，满足驱动电路电流的变化，避免相互间的耦合干扰。
旁路电容实际也是去藕合的，只是旁路电容一般是指高频旁路，也就是给高频的开关噪声提高一条低阻抗泄防途径。高频旁路电容一般比较小，根据谐振频率一般是0.1u，0.01u等，而去耦合电容一般比较大，是10u或者更大，依据电路中分布参数，以及驱动电流的变化大小来确定。
旁路是把输入信号中的干扰作为滤除对象，而去耦是把输出信号的干扰作为滤除对象，防止干扰信号返回电源。这应该是他们的本质区别。
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智能电网对电力系统的数据存储和分析计算提出了越来越高的要求,云计算作为一种新兴的基于网络的超级计算模式在智能电网中具有广泛的应用前景。项目选取云计算技术在智能配电网快速建模与仿真方面的应用理论与方法进行研究。结合智能配电网的特点和功能要求，一方面研究将云计算应用到智能配电网快速仿真中的关键技术，另一方面研究改进传统智能配电快速仿真算法使之适用于云计算环境的方法。主要研究云计算平台下现有配电系统计算资源的优化配置和调度方法；研究云计算对配网海量运行数据的分布式存储和管理技术；研究针对云计算平台的结合云计算优势的智能配电网三相潮流算法、三相状态估计算法、光伏出力预测算法和仿真算法；研究智能配电网快速仿真云计算平台的基础设施即服务（IaaS）、平台即服务（PaaS）和软件即服务（SaaS）的实现方法。最终实现基于云计算的智能配电网快速建模与仿真，为智能配电网提供一个有效的分析工具和应用平台。
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