System Analysis Knowledge Bytes: PDNシミュレーションにおけるVRMモデリングの重要性

9 Sep 2024 • 1 minute read

System Analysis Knowledge Bytes ブログシリーズでは、Cadenceが提供するシステム解析ツールの機能と可能性について説明しています。このシリーズは、この分野での役立つ機能等に関する学識を提供することに加えて、システム解析に関連する知識と経験を共有するブロガーと専門家の意見を放送することを目的としています。

電圧レギュレータモジュール (VRM) は、電子システムの安定性、信頼性、パフォーマンスに大きな影響を与えるため、パワーインテグリティ(PI) 解析において重要な役割を果たします。スイッチング電源ノイズは、PCB 上で重大なパワーインテグリティ(PI) およびシグナルインテグリティ(SI) の問題を引き起こす可能性があるため、VRM によって誘発されるスイッチング電源ノイズから近くの信号および電源ネットへのノイズ結合を解析するには、VRM とも呼ばれるDC-DC 降圧コンバータのモデリングが重要になります。

VRM が PI 解析で重要な主な理由は次のとおりです。:

電圧調整
ノイズ抑制
過渡応答
電流供給能力
インピーダンスマッチング
熱の考慮

PI解析は、VRMのパフォーマンスを検証し、電子システムの要件を満たすように設計を最適化するのに役立ちます。VRMモデルは、電子デバイス内の電力供給システムの動作における重要なコンポーネントとして機能します。

電圧レギュレータモデル等価回路

VRMは、ある DC 電圧を別の DC 電圧に変換するします (例: 5V から 1.8V)。これはフィードバックメカニズムによって行われます。VRM は負荷付近の電圧を感知し、出力電流を調整して負荷の電圧を調整します。

電源供給ネットワーク(PDN) は、大電流のステップ変化と高スルーレート下における厳しい許容範囲内で安定した出力電圧を供給しています。PDN のターゲットインピーダンスは、最大動作電流と電圧リップル許容値で計算できます。ターゲットインピーダンスは、すべての動作電流過渡周波数にわたって維持される必要があります。

VRM は、バルクコンデンサによる周波数帯域前のKHz帯域幅でのPDNインピーダンスに影響を与えます。このようなモデルのSPICE解析は非常に高速に実行されるため、シミュレーションで VRM を表す線形モデルを見つけることが望ましいです。

これは、VRM でよく見られる降圧スイッチングレギュレータの簡略化されたブロック図です。降圧レギュレータは、スイッチが時間の関数として開閉するため非線形です。

これは、理想的な電圧源と4つの受動素子で構成されるVRMの線形回路モデルです。非線形モデルと線形モデルには、多くのコンポーネントが共通しています。

OptimizePIの事前定義VRM モデル

VRM は、DC-DC コンバータと出力段にシステムに必要な基準電圧を供給するフィードバック制御回路で構成されています。VRM は基本的に非線形システムです。ただし、電力伝送モデルに非線形モデルを実装すると、シミュレーションの実行時間が長くなり、VRM 内の各要素の特性を決定するパラメータの設定が難しくなります。

Sigrity OptimizePI は、調整可能なパラメータを持つ 3つの定義済み VRMモデルタイプを提供します。この方法は簡単かつ高速で、PDN シミュレーションに 3 つのVRM モデルタイプのいずれかを選択できます。

抵抗モデル

VRM の抵抗モデルは、PDN 内のVRMの電気的動作を近似するために使用される簡略化された表現です。RLC (抵抗器-インダクタ-コンデンサ) モデルなどのより複雑なモデルほど詳細ではありませんが、抵抗モデルは基本的なVRMの動作とPDN に与える影響を理解するのに役立ちます。

抵抗-インダクタ直列モデル

VRM RLシリーズモデルでは、PDN 内のVRM のインピーダンス動作を近似できます。この簡略化により、電圧リップル、過渡応答、および電力供給システムの全体的な安定性に対するVRMの影響を解析できます。

より詳細なモデル

PDN 解析でよく使用されるVRM等価回路モデルは RLC モデルで、VRM の電気的特性をR, L, Cで表します。OptimizePI では、4要素の線形 VRM モデルを PDN シミュレーションのより詳細なモデルとして定義できます。

PDN 解析では、安定した電力供給を確保し、電圧変動を最小限に抑え、電子システムのパフォーマンス要件を満たすために、これらのパラメータを理解して最適化することが重要です。多くの場合、OptimizePIなどのシミュレーションツールを使用して、これらのパラメータが PDN の動作に与える影響を検証し、それに応じて VRM 設計を最適化します。

OptimizePI では、さまざまなVRMモデルタイプ (抵抗、直列の抵抗-インダクタ、より詳細なモデル) を使用して、一般的な6 層基板で PDNシミュレーションを実行できます。PCB レイアウトにさまざまなデコンデンサが取り付けられた 3 つのケースすべてで、次の PDN インピーダンス結果が得られます。

結論

Sigrity OptimizePIで VRM 回路をモデル化して設計を最適化できます。上記の PDN インピーダンス結果から各 VRM 回路モデル内の寄生の各 R, L, Cが、非常に低い周波数から高い周波数まで、PDN インピーダンス結果に大きな影響を与えていることがわかります。

より詳細な検証については、次のRAKを参照してください。

VRM Modeling and PDN Simulation with Different VRM Models in Sigrity OptimizePI by Cadence AE, Marthanapalli Shiva Shankar.

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Sigrity PowerDC and OptimizePI

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