資料介紹
隨著集成電路工藝的發展,片上系統(SoC)中電源分配網絡(PDN)低電源電壓和高集成度的需求大幅增加,傳統的PDN結構難以滿足細粒度電壓、動態供電電壓和負載響應速度等方面的需求。集成多個片上穩壓器已經成為解決PDN功率傳輸問題的一個有效途徑,目前片上穩壓器多選用低壓差線性穩壓器(LDO)。然而,由于Multi-LDOs和龐大負載網絡之間復雜的互連結構,使得PDN的穩定性面臨巨大挑戰。本課題來源于國家部委項目,論文基于LDO的研究與設計,重點針對片上集成多個數字LDOs的PDN建模及其穩定性判據展開研究。
通過對模擬LDO(A-LDO)工作機制的分析得到A-LDO不能在近閥值的電源電壓附近工作,且模擬的實現方式導致A-LDO的工藝擴展性較差。論文為了驗證穩定性方法的完備性,首先設計了一款A-LDO,采用源極跟隨器作為誤差放大器負載的電路結構和輸出級補償通路,改善了負載瞬態響應和系統穩定性。A-LDO基于SMIC0.13um CMOS工藝進行實現,輸入電壓范圍1.75~3V,輸出電壓為1.5V,負載電流范圍100uA-100mA內電路都穩定。在低于90mm特征尺寸下,針對片上PDN低電源電壓穩壓器的需求,采用“Verilog-A抽象模型+晶體管級電路”的混合樓型方法搭建了D-LDO模型。D-LDO結構基于模擬輔助環路和粗調/細調結合的策略改善了負載瞬態響應,實現低頻10MHz時鐘控制和低電源電壓工作,支持Cap-free的設計。D-LDO 基于SMIC6Snm CMOS工藝進行實現,輸入電壓為0.6V,輸出電壓為0.5V,負載電流范圍為3mA-15mA。
本文采用分隔的方法將PDN分為兩個子系統G:n個LDOs、H:其余RLC負載網絡,構成多輸入多輸出負反饋互連結構,并建立系統的數學模型。針對網格型網絡片上PDN結構,搭建基于A-LDO和D-LDO的PDN物理模型,且模型參數是可配置的,利用混合穩定性方法對搭建的PDN模型進行穩定性驗證。通過在PDN上集成4個A-LDOs的極點仿真結果,得到結論:隨著LDOs集成的數目增加,PDN系統由穩定不斷向不穩定方向移動。所以,傳統的Bode圖相位裕度方法已經不適用。
論文分別搭建了集成A-LDOs和D-LDOs兩個5×5小型的PDN網絡模型,使用Cadence spectre和Matlab聯合仿真搭建驗證平臺,根據RHP極點法驗證了混合穩定性方法的正確性。進一步搭建了集成30個D-LDOs的大型PDN網絡,網絡大小為30×35的1050個格點,使用混合穩定性方法進行穩定性評估,再通過瞬態仿真驗證系統的穩定特性,證明了混合穩定性方法的高效性。
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