[SI-LIST] Re: Decoupling capacitor inductance simulation, PDN decomposition

  • From: "Cosmin Iorga" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "ci42775" for DMARC)
  • To: Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>, <buenoshun@xxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 8 Aug 2018 20:29:33 +0000 (UTC)

From my experience questions like this can always be explained by the 
fundamental concepts of transient electric currents flowing through the PDN.  
For example, the mounting inductance influences the self-generated transient 
currents of the circuits on die so from this perspective we need to look from 
the die.  The decoupling capacitors also reduce external generated noise that 
would otherwise propagate into the die, so from this perspective we need to 
look from the PCB.  I suggest you build a simple model of the die+package+PCB 
and try to "manually" calculate the mounting inductance by first understanding 
the path of transient current flow and from this analysis decide which 
PCB/package/die structures participate and which don't participate to the 
transient current path.  This is what I emphasize in my power integrity and 
noise coupling course that I teach at UCLA Extension.  You can take a look at 
an example course project and the calculations done in there - here is a link 
to download it (the sample course project link is at the bottom of the page - 
loads slowly so please be patient) 
http://www.piscanner.com/patents-and-publications
Best Wishes,
Cosmin

--------------------------------------------
On Wed, 8/8/18, Istvan Nagy <buenoshun@xxxxxxxxx> wrote:

 Subject: [SI-LIST] Re: Decoupling capacitor inductance simulation, PDN 
decomposition
 To: "Istvan Novak" <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
 Cc: "SI" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
 Date: Wednesday, August 8, 2018, 11:51 AM
 
 Hi,
 Thanks.
 I know the basic problem is the PDN is more
 wrapped around the
 discontinuities than a
 long serdes channel. I'm trying to find a solution
 to that problem.
 The problem
 with simulating the whole PDN together is that this method
 is
 only good as post layout final
 verification, tedious setup, overnight sim
 run. I need a front-end DESIGN (not
 verification) method that is fast, that
 allows varying one parameter and quickly
 checking the effect of the change
 on the
 whole system. That can only be provided by decomposition
 and
 "schematic-level" simulation
 of the PDN. The only missing link for that is
 the capacitor mounting inductance.
 People often refer to the mounting inductance
 of a capacitor: so it must
 exist, this
 concept must be based on real physical measurable stuff.
 Another issue is why I am not sure that the
 closest plane is the right
 place for the
 simulation port is that the purpose of the PDN is to
 provide
 flat/low impedance PDN to the ASIC
 chip, not to the capacitor or to itself.
 This question is still open...
 Regards,
 Istvan Nagy
 
 On Wed, Aug 8, 2018 at 6:36 AM, Istvan Novak
 <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
 wrote:
 

Hi
 Istvan,

This is a
 tricky question.  As you know the basic SI rule, it is
 never a
good idea to cut a structure
 for measurement or for simulations in the
middle of discontinuities.  When we
 attempt to model only the mounting

 structure of a component by leaving the component itself out
 of the
picture, the result will have no
 information about the coupling between

 your board or package model and the component you left out,
 leaving an
uncertainty of the result
 when you try to merge the pieces.  As Scott
pointed out, for high-frequencies, you
 just need the 'lower contour' of the
current path in the capacitor to include
 in your composite geometry.

If you need to accuracy at higher
 frequencies, it is always a good idea to
have something simple about your component
 in the model and cut the
structure
 further away.


 Regards,
Istvan Novak



 On 8/8/2018 3:03 AM, Istvan Nagy wrote:

Hi,

We
 are trying to determine the inductance of decoupling
 capacitor
mounting
 structures.

Should we simulate capacitor+via
 seen from the ASIC’s BGA ball, or
capacitor+via seen from the power
 plane?

I would substitute a 0R short for
 the cap, and place the simulation
ports on the plane layer
 underneath or on the BGA land pad. If we simulate
caps from the plane, then we also
 simulate the BGA pads from the plane and
add this  inductance to the
 excitation current source (that represents the
ASIC chip) in the ADS. It may be
 good either way for small caps directly
under the BGA on the bottom side,
 although I’m not sure. But what about
somewhat larger capacitors on
 top/bottom outside the BGA area, far from
ASIC power pins? Then we may get
 â€œfake† inductance due to the large
distance from the BGA pads? I read
 somewhere that the capacitors have to
have low inductance to the plane
 only, not relative to the ASIC power pin
BGA balls, and ASIC to plane
 inductance is a separate thing. How is this
really?

If we
 simulate from the plane, which plane? There might be 4
 power
planes and 8 gnd planes
 for the same rail.

Will any of this include the plane
 spreading inductance?



In an HFSS setup, I was thinking
 on having just a strip of copper on the
plane layer for the simulation, to
 get the loop inductance without the
plane capacitance and resonance
 that will be modeled separately. The point
is to simulate different parts of
 the PDN separately, without overlapping
effects between the sub-models. We
 would simulate each cap mounting type,
the plane, the VRM (measured on
 eval board, not sim), the BGA-via…all
separately in 3D, and then later
 plug the models together in an ADS
schematics. Then we can vary one
 parameter and quickly re-run, for design
optimization. For high-speed
 serdes signal channels people do
decompositional analysis and plug
 the sub-models together, pretty common. I
want to do the same for the PDN,
 but it’s a bit harder to separate the
elements without overlapping
 effects.



Best regards,


 Istvan Nagy

Hardware engineer






 ------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
 with 'unsubscribe' in the Subject field

or to
 administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For
 help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
 with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
                 http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List
 archives are viewable at:
   
      //www.freelists.org/archives/si-list
   Old (prior to June 6, 2001)
 list archives are viewable at:
           http://www.qsl.net/wb6tpu





 
 ------------------------------------------------------------------
 To unsubscribe from si-list:
 si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
 with 'unsubscribe' in the Subject field
 
 or to administer your
 membership from a web page, go to:
 //www.freelists.org/webpage/si-list
 
 For help:
 si-list-request@xxxxxxxxxxxxx
 with 'help' in the Subject field
 
 
 List forum  is accessible
 at:
                http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list
 
 List archives are viewable
 at:     
         //www.freelists.org/archives/si-list
  
 Old (prior to June 6, 2001)
 list archives are viewable at:
     
     http://www.qsl.net/wb6tpu
   
 
 
------------------------------------------------------------------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'unsubscribe' in the Subject field

or to administer your membership from a web page, go to:
//www.freelists.org/webpage/si-list

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx with 'help' in the Subject field


List forum  is accessible at:
               http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list

List archives are viewable at:     
                //www.freelists.org/archives/si-list
 
Old (prior to June 6, 2001) list archives are viewable at:
                http://www.qsl.net/wb6tpu
  

Other related posts: