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Methoden zur Vorhersage der Impedanz und Abstrahlung von flächigen Spannungsversorgungslagen für High-Speed-Anwendungen

Tschoban, Christian

Für das Design von zukünftigen leistungsfähigen Systemen wird die Power-Integrität immer wichtiger. Durch den Trend nach immer kleineren, leistungsfähigen Systemen, z. B. Cyber- Physical-Systems (CPS), steigen die Anforderungen in diesem Bereich immer weiter an. Anders als im Bereich der Signal-Integrität existiert im Bereich der Power-Integrität noch keine geschlossene Methodologie. Die Entwicklung und die Evaluation einer holistischen Methodologie ist das Kernziel dieser Arbeit. Dabei liegt der Fokus auf dem Bereich der Spannungsversorgungslagen, deren Abstrahlung und entsprechendem Impedanzverlauf. Vor allem auf diesem Gebiet ist die Methodologie entscheidend, weil in allen anderen Bereichen des PDN bereits Modelle und Maßnahmen vorhanden sind, um diese zu optimieren. Als erster Schritt für die Entwicklung der Methodologie wird der unterschiedliche Einflussbereich von Strukturen auf bzw. in den Spannungsversorgungslagen zerteilt. Für das Zusammenführen dieser Teile werden verschiedene Modellierungsansätze benötigt. Als zweiter Schritt werden konventionelle Modellierungsansätze dahingehend geprüft, ob sie den Anforderungen der Methodologie gerecht werden können. Hier muss der Modellierungsansatz folgende Anforderungen erfüllen: 1) Genaue Beschreibung und Erfassung der Eingangsimpedanz des PDN sowie dessen Abstrahlung 2) Möglichkeit zur Erfassung der globalen und lokalen Kopplungsthermen sowie Diskontinuität auf den Spannungsversorgungslagen Durch die hohe Komplexität der Spannungsversorgungslagen werden dafür verschiedene Modelle evaluiert, welche letztendlich eine exakte Bestimmung der Abstrahlungscharakteristik sowie den Impedanzverlauf ermöglichen. Alle Modellierungsansätze, welche nicht den Anforderungen entsprechen, werden, erweitert, evaluiert und zu einer geschlossenen Modellierungsmethodik zusammengeführt. Diese Modellierungsmethodik wird anschließend zur holistischen Methodologie erweitert und anhand eines CP-Systems evaluiert. Es wurde in der vorliegenden Arbeit aufgezeigt, dass durch die hier vorgestellte Methodologie alle Anforderungen mehr als erfüllt werden. So konnte die Abstrahlung vom CP-System um mehr als 20dB verbessert und die Target-Impedanz über den gesamten Frequenzbereich vollständig erfüllt werden.
Power integrity is becoming increasingly important for the design of future high-performance systems. Due to the trend towards smaller and smaller, high-performance systems, e.g. Cyber-Physical-Systems (CPS), the requirements in this area continue to rise. Unlike in the field of signal integrity, there is no closed methodology for to determine power integrity. The development and evaluation of a holistic methodology is the core objective of this thesis. The focus is on the area of power supply layers, their radiation and corresponding impedance characteristics. Especially in this area the methodology is crucially needed, because in all other areas fields of PDN, models and measures areal ready available to optimize them for optimization. As a first step for the development of the methodology, the different areas of influence of structures on and in the power supply layers are divided separated. Different modeling approaches are needed to combine handle these parts. As a second step, conventional modeling approaches are tested to see if they can meet the following requirements of the methodology: In this case the modeling approach must meet the following requirements: 1. Exact description and recording of the input impedance of the PDN and its radiation, 2. Possibility of recording the global and local coupling thermals and discontinuity yon the power supply layers. Due to the high complexity of the power supply layers, different models are evaluated for this purpose, which ultimately enable an exact determination of the radiation characteristics and the impedance curve. All modeling approaches which do not meet the requirements are extended, evaluated, and combined to a closed modeling methodology. This modeling methodology is then extended to a holistic methodology and evaluated using a CP-System. It was shown in the present work that the methodology presented here more than meets all requirements. The radiation from the CP-System was improved by more than 20 dB and the target impedance was completely fulfilled over the whole frequency range.