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使用LDO实现PDN建模及其稳定性的研究设计说明

消耗积分:0 | 格式:rar | 大小:11.33 MB | 2019-11-26

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  随着集成电路工艺的发展,片上系统(SoC)中电源分配网络(PDN)低电源电压和高集成度的需求大幅增加,传统的PDN结构难以满足细粒度电压、动态供电电压和负载响应速度等方面的需求。集成多个片上稳压器已经成为解决PDN功率传输问题的一个有效途径,目前片上稳压器多选用低压差线性稳压器(LDO)。然而,由于Multi-LDOs和庞大负载网络之间复杂的互连结构,使得PDN的稳定性面临巨大挑战。本课题来源于国家部委项目,论文基于LDO的研究与设计,重点针对片上集成多个数字LDOs的PDN建模及其稳定性判据展开研究。

  通过对模拟LDO(A-LDO)工作机制的分析得到A-LDO不能在近阀值的电源电压附近工作,且模拟的实现方式导致A-LDO的工艺扩展性较差。论文为了验证稳定性方法的完备性,首先设计了一款A-LDO,采用源极跟随器作为误差放大器负载的电路结构和输出级补偿通路,改善了负载瞬态响应和系统稳定性。A-LDO基于SMIC0.13um CMOS工艺进行实现,输入电压范围1.75~3V,输出电压为1.5V,负载电流范围100uA-100mA内电路都稳定。在低于90mm特征尺寸下,针对片上PDN低电源电压稳压器的需求,采用“Verilog-A抽象模型+晶体管级电路”的混合楼型方法搭建了D-LDO模型。D-LDO结构基于模拟辅助环路和粗调/细调结合的策略改善了负载瞬态响应,实现低频10MHz时钟控制和低电源电压工作,支持Cap-free的设计。D-LDO 基于SMIC6Snm CMOS工艺进行实现,输入电压为0.6V,输出电压为0.5V,负载电流范围为3mA-15mA。

  本文采用分隔的方法将PDN分为两个子系统G:n个LDOs、H:其余RLC负载网络,构成多输入多输出负反馈互连结构,并建立系统的数学模型。针对网格型网络片上PDN结构,搭建基于A-LDO和D-LDO的PDN物理模型,且模型参数是可配置的,利用混合稳定性方法对搭建的PDN模型进行稳定性验证。通过在PDN上集成4个A-LDOs的极点仿真结果,得到结论:随着LDOs集成的数目增加,PDN系统由稳定不断向不稳定方向移动。所以,传统的Bode图相位裕度方法已经不适用。

  论文分别搭建了集成A-LDOs和D-LDOs两个5×5小型的PDN网络模型,使用Cadence spectre和Matlab联合仿真搭建验证平台,根据RHP极点法验证了混合稳定性方法的正确性。进一步搭建了集成30个D-LDOs的大型PDN网络,网络大小为30×35的1050个格点,使用混合稳定性方法进行稳定性评估,再通过瞬态仿真验证系统的稳定特性,证明了混合稳定性方法的高效性。

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