PDN仿真中的铁氧体磁珠模型和传输阻抗

在PDN中使用铁氧体是一项充满模糊指导和过度泛化的设计建议。如果在应用说明或参考设计中看到推荐在PDN中放置铁氧体，那么在特定的设计中应该遵循这一建议，还是应该忽略这一点并专注于增加电容？如果你正在使用铁氧体来隔离两个电源轨，又该如何处理？

我们将在本文中回答这两个问题。在PDN中，铁氧体主要有两种典型应用：作为直接连接到VDD引脚的滤波元件，或者作为两个不同电源轨之间的隔离元件。通常应避免第一种情况的使用，然而，如果正确选择铁氧体并应用于适当的电源轨，第二种情况可能会展现出良好的效果。您可以通过在中频范围（最高约1 GHz）内进行SPICE仿真来验证这一点，这也是我将在本文中讨论的内容。

PDN中的铁氧体磁珠：滤波还是隔离？

我已经多次重申（其他设计师也会表示赞同），在PDN中放置铁氧体会在中频范围内增加电感；如果PDN需要支持以快速边沿速率（大约1纳秒或更短）切换的元件，那么这样做通常是不利的。这一观点得到了大量数据的支持，特别是在铁氧体连接至为高速I/O供电的电源轨时。尽管如此，电源调节器的应用说明通常会提及这一点，但铁氧体的使用有时会被误解或在不适当的情况下实施。

话虽如此，我在设计电路板时，即使铁氧体被推荐作为参考设计的一部分或出现在应用说明中，也未包含用于隔离的铁氧体。这包括省略铁氧体作为电源轨（例如VDD输入和PLL电源轨）相互隔离的元件。

在本文中，我们将通过SPICE仿真研究在PDN的两个电源轨之间使用铁氧体作为隔离元件的情况。实质上，我们的目标是仿真PDN上两个电源轨之间的传输阻抗。在深入探讨之前，建议您阅读本文，以深入了解传输阻抗的相关内容，以及本文中关于包含多个电容器的基本PDN仿真的介绍。接下来，我将在基本的PDN仿真模型中添加一个电源轨，并尝试使用铁氧体对其进行隔离。

使用铁氧体磁珠的仿真模型

我们的PDN仿真模型中包含两个电源轨，其中一个使用了铁氧体，分别是用于I/O的电源轨和用于建模较慢开关元素（例如PLL）的额外电源轨。通过使用铁氧体磁珠（有时也称为铁氧体芯片），我们将PLL轨与I/O轨进行隔离。仿真的主要目的是检验典型铁氧体在这两个电源轨之间作为隔离元件的效果。

在PDN仿真模型中，铁氧体扮演着重要角色。去耦电容器组包含36个电容器，它们具有不同的自谐振频率（SRF）值。

仿真中使用的铁氧体产品型号为Murata的BLM18PG121SN1。在SPICE仿真中，我们通常使用并联RLC电路来表示铁氧体，该模型也采用了这种方法。通过设定带宽、谐振电阻和谐振频率，我们可以得到R = 150 Ohms、L = 347 nH和0.3603 pF的参数值。请注意，虽然这并不是铁氧体的完美表示，但在没有该器件的精确仿真模型的情况下，这已经是能够得到的最好表示了。

在仿真过程中，我们将调制铁氧体的R值，以观察这一变化对仿真模型中两个电源轨之间噪声传递的影响。利用之前的去耦电容仿真模型和上述针对PLL电源轨上隔离铁氧体的模型，我们现在已具备进行仿真所需的条件。我们将研究几个不同场景，以区分各种噪声源： 

• 仅I/O电源轨切换时PLL电源轨上的电压表现

• 当PLL和I/O电源轨同时切换时PLL电源轨上的电压表现

这两种场景均允许我们计算PDN的完整阻抗矩阵（若需要）。由于存在两个电源轨，这将形成一个2x2矩阵，该矩阵将端口n的电流消耗与端口m测得的电压关联起来。 

上述目标#1相当于计算阻抗矩阵中的Z21元素。我们将利用这一结果来帮助解释仿真中观察到的现象。为了分析噪声是如何传播到PLL电源轨的，我们将对比PLL电源轨的电压波形与I/O电源轨的电压波形。

结果：I/O电源轨切换，PLL静音

尽管不明显，但在I/O电压波形的上升沿处，存在一个非常急剧的变化。通过放大观察，可以发现这一急剧变化并非测量误差，而是与I/O电源轨阻抗中的高频极点（体现在Z11参数中）密切相关。

通过比较I/O轨（Z11）的自阻抗与传输阻抗谱（Z21），明显表明在631 MHz极点处仅表现出有限的效益，而在2.81 MHz极点处则几乎无效益（该极点尤为重要）。尽管PLL轨上的铁氧体看似起到了降低噪声的作用，但旁路电容器同样能够降低噪声，这得益于其1.59 GHz的SRF值。两者的共同作用类似于一个具有受控ESR的电容器，能够实现高阻尼并降低噪声。

结果：PLL轨切换、I/O切换

现在我们可以探究铁氧体的存在对PLL轨上切换操作的影响。下方的瞬态分析结果清晰地展示了PLL中的开关动作如何在PLL轨电压中产生显著的瞬态毛刺。红色曲线和绿色曲线分别表示存在和不存在铁氧体时PLL轨的电压波形。当PLL在5微秒后启动（如蓝色虚线所示），我们可以看到带有铁氧体的PLL轨上出现了显著的电压尖峰。而在移除铁氧体的同一PLL轨上，这些电压尖峰则不再出现。

移除铁氧体后，我们可以清晰地观察到PLL轨的电压波形变得更为稳定（如上方绿色曲线所示）。事实上，我们几乎观察不到来自I/O部分的噪声。实际上，旁路电容器在降低噪声方面发挥了主要作用，而非铁氧体。结果表明，增加电容相比增加电感是一个更为有利的设计改动。这也指出了I/O轨上所需的设计调整：应添加一些专门针对PDN阻抗谱中631 MHz峰值的小电容器。

概括

通过这次实践，我们获得了哪些启示？结果似乎并不理想，高频极点处勉强达到可接受标准，而低频极点的问题依旧没有得到解决。有四点很重要：

1. 铁氧体有效抑制了部分从I/O轨传至PLL轨的高频噪声。这是由于噪声频率位于铁氧体的阻抗特性曲线的阻带内，通过对比I/O轨与PLL轨上的噪声测量数据，可以清晰地观察到这一点。
2. 只要旁路电容器的自谐振频率（SRF）与高频极点接近且选择得当，它就能有效地帮助隔离PLL轨上的噪声。
3. 铁氧体在抑制来自I/O轨的低频噪声传至PLL轨方面并无明显效果。特别是在PLL运行电压低至0.9V时，低频噪声可能引发显著的干扰问题。
4. 在仿真过程中，当慢边沿PLL元素进行切换时，铁氧体的电感效应会在PLL轨上引发显著的电压尖峰。