インピーダンスマスクへの適合: PDN設計と最適化戦略
はじめに
通信アプリケーションでは、ターゲット インピーダンスは PDN 設計の重要なベンチマークとして機能します。ダイ上の電源レールの最大許容 PDN インピーダンスを定義することにより、最悪の過渡電流の状況下でも、ダイがレール電圧ノイズの許容レベル内で動作することを保証します。
本稿では、 MPQ8785 PoL(point-of-load )デバイスを使用してターゲットインピーダンスに適合するための最適化手法に焦点を当てるとともに、信頼性が高く効率的な電力供給のために電力供給ネットワーク (PDN)を最適化しようとする設計者に貴重な洞察と実用的なガイダンスを提供します。
ターゲットインピーダンスの定義
高周波信号の増加とボード上の電力需要の増大に伴い、電源設計者は集積回路 (IC) に効率的に電力を供給できるノイズのない電力供給を優先しています。特定の周波数の幅にわたって電力供給ネットワークのインピーダンスを制御することは、高速システムの適切な動作を保証し、パフォーマンスの要求を満たす 1つの方法です。このインピーダンスは通常、最大許容リップル電圧を最大予想電流ステップ負荷で割ることによって推定できます。電力供給ネットワークの目標インピーダンス (ZTARGET) は式（1）で計算できます:
\[ Z_{\mathrm{TARGET}} = \frac{V_{\mathrm{SUPPLY}} \times \text{リップル公差}}{I_{\mathrm{TRANSIENT}}} \]広い周波数スペクトルにわたってZTARGETを達成するためには、低周波数の電源と、中周波数および高周波数のデカップリングコンデンサを戦略的に配置する必要があります。図1に積層セラミックコンデンサ(MLCC)のインピーダンス周波数特性を示します。
図1: MLCCのインピーダンス周波数特性
インピーダンスを、計算されたしきい値未満に維持することで、ICによって生成される最も厳しい過渡電流および誘導電圧ノイズでさえも、許容可能な動作境界内に収まることが保証されます。
図2は、ベンダーのウェブサイトからのデータに基づいて、異なる周波数幅にわたって変化するターゲットインピーダンスを示しています。[1] これは、電力供給のすべての要素が異なる周波数で最適化されなければならないことを意味します。
図2: ターゲットインピーダンスの例
電力供給ネットワーク(PDN)のインピーダンスのについて
理論的には、電源レールは可能な限り低いPDNインピーダンスを目指します。しかし、理想的なゼロインピーダンス状態を達成することは非現実的です。PDNインピーダンスを最小化するために広く採用されている戦略は、システムオンチップ(SoC)の下に様々なデカップリングコンデンサを配置することであり、これにより、すべての周波数にわたってPDNインピーダンスが平坦化されます。これにより、出力信号の電圧変動や信号ジッタを防ぐことができますが、パワーレール設計を最適化するための最も効果的な方法とは限りません。
3段階のローパスフィルタアプローチ
最適化されたパワーレール設計をさらに追求するには、最適な性能を達成するための新しいアプローチを考慮することに加えて、PDN設計の基礎を再検討する必要があります。図3は、3段のローパスフィルタとして概念化されたPDNを示しています。このネットワークの各段は、SoCダイから引き出される電流をフィルタリングし、安定化する上で特定の役割を果たします。
図3: 3段ローパスフィルタとして概念化されたPDN
3段ローパスフィルタについ以下で説明します:
- SoCダイから引き出される電流: このプロセスは、SoCダイから電流が引き出されることから始まります。引き出された電流は、ダイ側コンデンサ(DSC)と相互作用するパッケージによってフィルタリングされます。この最初のフィルタリング段階は、電流がPCBソケットに到達する前に電流のスルーレートを減少させます。
- PCBレイアウトの検討事項とMLCC: 電流がPCBボールグリッドアレイ(BGA)を通過すると、電流がPCB上の電源プレーンを通ってMLCCに到達するときに、フィルタリングの第2段階が発生します。この段階では、特定の周波数で効果的に動作するコンデンサを選択することに焦点を当てることが重要です。SoCの下に配置された高周波コンデンサは、低周波の調整に大きな影響を与えません。
- 電源プレーンおよびバルクコンデンサ付き電圧レギュレータ(VR): 最終段にはVRコンデンサとバルクコンデンサが含まれ、これらが連携して低周波ノイズに対処することで電源を安定させます。
PDNの3段階アプローチは、各部品が異なる周波数帯域にわたってインピーダンスを最小化することに寄与することを保証します。この構造化された方法は、現代の電子システムにおいて信頼性が高く効率的な電力供給を実現するために不可欠です。
ケーススタディ: 通信評価ボードの分析
この詳細な試験では、MPSの通信専用評価ボードを使用して、高周波同期整流降圧コンバータである MPQ8785の実環境における能力を実証しています。さらに、このケーススタディは、ターゲットインピーダンスを実現するためのコンデンサの選択と配置の重要性を明確に示します。
このプロセスを開始するために、MPS評価ボード上でPCBの寄生成分の抽出を実行します。図4は、MPQ8785評価ボードの上面レイアウトを示しています。このレイアウトでは、分析用に2つのポートが選択されています。ポート1はインダクタの後に配置され、ポート2はSoC BGAに接続されます。
図4: MPS通信評価用ボード
このレイアウトには、等価直列インダクタンス(ESL)および等価直列抵抗(ESR)の寄生を含む、ベンダーのウェブサイトからのコンデンサモデルも含まれます。フラットなインピーダンスプロファイルを維持するために、PCB底面にあるSoCの下にできるだけ多くのコンデンサモデルが割り当てられます。
表1は、異なる周波数を対象とする異なる数量のコンデンサに対する初期コンデンサ選択を示しています。
表1: 初期コンデンサの選択
| 数量 | 静電容量 |
|---|---|
| 2 | 560pF |
| 5 | 1nF |
| 2 | 0.01μF |
| 5 | 0.1μF |
| 2 | 1μF |
| 5 | 2.2μF |
| 2 | 4.7μF |
| 2 | 10μF |
| 3 | 22μF |
図5は、コアレールのPDNマスクによって定義されたターゲットインピーダンスプロファイルと、最初に選択されたコンデンサを使用してMPQ8785評価ボード上で測定された実際の初期インピーダンスとの比較を示しています。このグラフィカルな比較により、インピーダンス特性を直接評価することができ、PDN性能の評価が容易になります。
図5: 初期インピーダンスに対するターゲットインピーダンスプロファイル
図5からのデータに基づくと、インピーダンスは、300 kHz～600 kHzの周波数幅内で規定限界を超え、この問題を緩和するために追加の静電容量が必要であることを示しています。追加のコンデンサを導入することにより、この周波数帯域のインピーダンスが効果的に低減され、仕様への準拠が保証されます。特に、高周波コンデンサは、高周波でのインピーダンスへの影響が無視できることも観察されており、その寄与が特定の周波数幅に限定されていることを示唆しています。この洞察は、希望のインピーダンスプロファイルを実現するためのコンデンサ選択の最適化の情報を提供します。
種々のコンデンサ構成を系統的に評価する広範な一連のシミュレーションを通して、インピーダンスマスク要件を満たすのに必要なコンデンサの最適の組合せを特定することに成功しました。表2は、この反復プロセスの結果を示し、コンデンサの最適量および総容量を示しています。
表2: 最適なコンデンサの選択
| 数量 | 静電容量 |
|---|---|
| 5 | 10F |
| 5 | 22μF |
最終的なコンデンサの選択により、PDNインピーダンスプロファイルが指定されたマスクに適合することが保証され、それによって信頼性の高い電力供給と性能が保証されます。図6は静電容量を最適化した最終インピーダンスを示しています。
図6: 静電容量を最適化した場合の最終インピーダンス
ケーススタディを容易にするために、インピーダンスマスクを10 MHzから40 MHzの周波数幅内で修正し、その全体の値を10mΩに減らしました。さらに10個の0.1μFコンデンサを実装することで、評価用ボードのインピーダンスを低減し、対象周波数幅におけるインピーダンスを効果的に低減できました。
図7に低インピーダンスマスクと評価ボードのインピーダンス応答を示します。追加された静電容量は、指定された周波数幅内でインピーダンスの低減に成功しています。
図7: PDNマスク低減のための静電容量を最適化したインピーダンス
結論
本稿では、MPQ8785の評価ボードを使用して電力供給ネットワーク(PDN)のパフォーマンスを最適化し、指定されたインピーダンスマスクに確実に準拠するようにしました。この最適化プロセスを通じて、さまざまな周波数にわたるインピーダンスに対するさまざまなコンデンサタイプの影響を予測するモデルが開発され、適切な部品の選択が容易になりました。
最適化されたパワーレール設計のためのコンデンサの選択は、特定のインピーダンスマスクおよび対象周波数幅に依存します。いろいろな周波数に対してコンデンサをランダムに選択することは、PDN性能を最適化するには十分ではありません。さらに、物理的レイアウトは、全体的なインピーダンス特性に影響を及ぼす寄生効果を最小にしなければならず、これらの影響を緩和するためにコンデンサのレイアウトを最適化することに特別な注意を払わなければなりません。
詳細については、MPSのステップダウンコンバータの幅広い選択をご覧ください。
参考文献
- Qualcomm Technologies, Inc., “QualcommR Snapdragon? 410E (APQ 8016E) Processor Device Specification,” Section 3.3.1, Table 3-5, pp. 55, Sep. 2016.
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