[SI-LIST] Re: SMPS buck: behavioral model for high-side current noise

  • From: Ivor Bowden <bowden.ivor@xxxxxxxxx>
  • To: si-list <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 18 Dec 2019 06:43:51 -0800

Thank you agathon for the link, a good app note about 
reducing EMI, and on page 28 / slide 29 showing discussion 
extraction method. I see the suggested method is add to the 
layout file before extraction a "Perfect Electrical 
Conductor Cover" plane, covering entire PCB, 10mm away from 
the rest of the electrical layers. This Cover is 
(presumably) tied to PCB ground at only one point, e.g. 
where the power connector is. This app note doesn't go into 
further detail about placing ports including ground ports, 
and assumption is all ports, including ground pins, have 
their reference pins at the single common ground point that 
is also tied to the Cover. Then the S-Parameters extracted 
for simulation, in which noise on ground pins (with 
reference to the single point / Cover ground) can be 
observed. Apparently the Cover is an aid to the extraction 
tool, the same setup could be used without defining the 
Cover. Considering what the Cover effects are, how the 
extraction results would differ with or without the cover, 
or if the cover was some increased or decreased distance 
from rest of layout. I may follow up with my Keysight rep 
about this, and any perspectives and/or additional app notes 
/ links about ground pins extractions for simulation (to 
simulate / observe ground bounce / noise, etc.) are appreciated.
Thanks,
Ivor

On 12/15/2019 1:23 AM, Istvan Novak wrote:

Excellent slides, just one word of caution: whether it is 
emission or susceptibility, the entire path matters.  The 
PCB is usually known, since it is our design.  Bad 
especially with power conversion circuits, the internal 
current path in components and/or modules we place on the 
board have typically way bigger vertical height above our 
PCB planes compared to traces we place on the board.

Regards,

Istvan Novak

Samtec

On 12/15/2019 4:53 AM, agathon wrote:
See keysight.com and search for webcast on demand:
How to Reduce EMI in Switched-Mode Power Supplies with 
Post-Layout
Simulation
The application is not the point. The pdf that comes with 
it shows the
method on pdf p.28, slide29.

On Thu, Dec 12, 2019 at 7:07 PM Ivor Bowden 
<bowden.ivor@xxxxxxxxx> wrote:

Any technical papers, app notes, etc. detailing this 
type of
case / method?
Mainly tool setup / results with specific PCB example.
Physical measurements correlated with extraction /
simulation results would be a bonus.
Thanks,
Ivor

On 12/5/2019 8:55 AM, Scott McMorrow wrote:
Or, one can create a PEC reference plane in modeling, so
that power/ground port measurements can be referenced to 
it.
It's as valid as matrices with partial inductance.

Scott McMorrow, CTO Signal Integrity Group
Samtec
Office 401-284-1827 | +1-800-726-8329
www.samtec.com

This email and any appended documents are only for the
intended person/entity and may contain information of
Samtec, Inc., that is PRIVILEGED, PROPRIETARY, 
CONFIDENTIAL,
AND/OR PROTECTED BY LAW. If you are not the intended
recipient you are hereby notified that any dissemination,
disclosure, use or copying of this email or its contents is
prohibited. If you this message in error, please notify
Samtec immediately and delete the email, attachments and 
all
copies. The intended recipient should not disclose the
content to third parties or reproduce the content without
Samtec's written consent.

On 12/5/2019 11:35 AM, Muranyi, Arpad wrote:
To characterize the effect of ground parasitics, 
sparam may not be
used since it combines the ground parasitics into ports' 
parameters.
This statement is exactly why I posted my "trick 
question" under the
subject line
"3d modelling of high frequency signals with dual 
referencing" a few
days ago.
These two discussion topics are closely related because 
both of them need
separate ports for the power and ground planes of the 
board (as far as I
can tell).
The problem I see is that many "PDN models" are 
generated by combining
the
effects of both planes (as in a loop model), yet the 
devices connected
to them
need separate paths for the power and ground paths (as 
in a partial
model).
In this case, the above statement may be true.

But, as Scott pointed out, this is not a limitation of 
S-parameters in
general, and
for that reason, the above statement is not true in 
general.  It all
depends on how
the S-parameters are generated (extracted) and how they 
will be used.
Model
makers and users need to be aware of those details, 
otherwise we run
into the
situation of trying to put a square peg into a round hole.

I just wanted to raise awareness to this, hoping to 
encourage people to
ask
themselves the right questions before making or using 
S-parameter models.
It can just as easily be done correctly, as done 
incorrectly...

Thanks,

Arpad
============================================================== 


-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx 
[mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx]
On Behalf Of Sherman Shan
Sent: Thursday, December 5, 2019 10:42 AM
To: bowden.ivor@xxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx; 
'agathon' <
hreidmarkailen@xxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Re: SMPS buck: behavioral model for 
high-side current
noise
Ivor,

To characterize the effect of ground parasitics, sparam 
may not be used
since it combines the ground parasitics into ports' 
parameters. One way to
separate the effect of ground is using RLGC matrix. The 
six ports are
Vin_system, Vin_vrm, GND_vrm, Vo_vrm, Vo_load, and 
GND_load. Make sense?
Regards,

Sherman Shan Chen
SI/PI Group, Kandou Bus
5 Queensbridge, Northampton, UK, NN4 7BF
Office: +44 1604 635826  Email: shan@xxxxxxxxxx

-----Original Message-----
From: Ivor Bowden <bowden.ivor@xxxxxxxxx>
Sent: Thursday, December 5, 2019 11:14 AM
To: Sherman Shan <shan@xxxxxxxxxx>; 
si-list@xxxxxxxxxxxxx; 'agathon' <
hreidmarkailen@xxxxxxxxx>
Subject: Re: [SI-LIST] Re: SMPS buck: behavioral model 
for high-side
current noise
Thank you Sherman,
Please detail where you'd place the ports (for both the 
signals and
their associated reference points) for this example? Is 
it they all have
common reference e.g. at VDD connection GND, and the 
signals are VDD input,
Buck VDD, Buck GND, Buck OUT, Load PWR, Load GND?
Thanks,
Ivor

On 12/4/2019 10:29 PM, Sherman Shan wrote:
My method of addressing this is to extract the PDN 
model of the layout
with localized ports (six ports at least, in this case - 
if not considering
the caps), then plug in the buck/VRM model. This way the 
ground/power
bounce should be able to be characterized.
Regards,

Sherman Shan Chen
SI/PI Group, Kandou Bus
5 Queensbridge, Northampton, UK, NN4 7BF
Office: +44 1604 635826  Email: shan@xxxxxxxxxx

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx 
<si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx> On
Behalf Of Ivor Bowden
Sent: Tuesday, December 3, 2019 11:54 PM
To: si-list@xxxxxxxxxxxxx; agathon 
<hreidmarkailen@xxxxxxxxx>
Subject: [SI-LIST] Re: SMPS buck: behavioral model for 
high-side
current noise

I've considered this before. It's not as simple as 
"noise on a high
side plane".
Consider how bucks work.

When the buck high side FET is on, the current flows 
from VDD source to
buck VDD pin to buck Output pin through the inductor to 
the load, the
return current back to the VDD source ground. Inductor 
field builds.
When the buck high side FET is off (and low side FET 
on for synchronous
bucks) the current flows from buck GND pin to buck 
Output pin through the
inductor to the load, the return current back to the 
buck GND pin (due to
inductor field collapse).
When the buck switches, the current is 
"discontinuous", in that all the
load current is switched between buck VDD pin and buck 
GND pin. This
results in substantial noise on both the VDD and GND 
rails, depending on
the PDN quality e.g.
bypassing between them. Some physical buck circuits 
will measure noise
spike amplitudes of volt or more on both buck VDD and 
buck GND pins, with
respect to a "cleaner" ground, even e.g. only a few cm 
away. The concern is
how much these VDD and GND spikes show up on nearby 
devices' VDD and GND
pins.
So to model a buck on a PDN, you could use two current 
sources, one
(for high side) between buck VDD pin and buck Output 
pin; the other (for
low side) between buck GND pin and buck Output pin. The 
two sources would
need trapezoidal edges to mimic buck output rise / fall 
times, typically
range of amps / nS, and they'd overlap so that the 
output current was a
steady value. Steady value would probably be fine for 
noise simulation, for
more detail the resultant current could also mimic the 
ripple current, e.g.
30% of steady state current, say by using PWL current 
sources.
For this simulation, the inductor could be replaced by 
a short, or to
add the voltage noise of the buck Output pin switching 
to the system, model
with inductor. The load could be modeled by a resistor. 
The output voltage
is of course buck VDD * duty cycle (minus losses), which 
will also be buck
average output current times (modeled) load resistance.
This describes continuous mode steady state load 
simulation, not
considering load transient / buck transfer function.
For this example, you'd need to extract (3) ports: 
Buck VDD pin, Buck
GND pin, Buck Output pin, assuming that extraction 
already shorted the
input power connector, the inductor, and replaced load 
with resistor. Else,
ports could be extracted for them also, and shorts / 
components supplied in
the simulation.
Then for the simulation you'd connect a switched 
current source between
Buck VDD port and Buck Output port, and connect a 
switched current source
between Buck GND port and Buck Output port, as described 
above.
Difficulty is what to use for the extraction port 
references, where
should their common ground be? Also extraction tool may 
have issues with a
port (Buck GND) being connected to the same physical net 
as its reference
(ground).
It's the same problem trying to model "ground bounce" 
using a PCB
extraction and simulate dynamic loads on ground pins.
We know that "ground is not ground", over a given PCB 
there will be
differences in ground potentials, and sometimes those 
noise deltas can be
significant to the point of causing signal integrity 
problems, false
clocking, etc. The bigger question is how to model 
"ground bounce" across a
PCB using extraction / simulation tools.
Any ideas / tech notes about tool flows for these 
cases (ground bounce
simulation / SMPS simulation) appreciated.
Regards,
Ivor

On 11/26/2019 1:28 PM, agathon wrote:
Hello all,
I need to model noise on a high-side plane (feeding 
several SMPS).
I will extract a plane model but for the freq/time 
domain simulation...

My 2 challenges I can see are:
1) ferrite SMT model ...
but I see the si-list archive on this. They were 
nixed on the pcb
respin, anyway, but need to model their usage.
2) behavioral noise source that emulates  SMPS 
constant-pwr current.

I don't need to model a particular part.  Vendor 
models, I'm told,
don't operate at the pwm switching level, anyway.

My sense is that I only need a behavioral model that 
will act like
"constant power", so it simply switches current in 
and out and
adjusts voltage in lock step, like a buck SMPS.  I'm 
thinking a pwl
file for a current waveform then a ICVS across it, 
parametrized to
achieve constant power.

Comments?  And, if agreed, suggestions on common 
elements to do this?

Regards,
Reid


------------------------------------------------------------------ 

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





------------------------------------ KANDOU BUS 
Confidentiality Notice
-------------------------------------------
The preceding message (including any attachments) 
contains proprietary
information that may be confidential, privileged, or 
constitute
non-public information.
It is to be read and used solely by the intended 
recipient(s) or
conveyed only to the designated recipient(s).
If you are not an intended recipient of this message, 
please notify
the author or sender immediately by replying to this 
message and delete
this message (including any attachments hereto) 
immediately from your
system.
You should not read, retain, disseminate, distribute, 
copy or use this
message in whole or in part for any purpose, not 
disclose all or any
part of its content to any other person.
------------------------------------ KANDOU BUS 
Confidentiality Notice
-------------------------------------------




------------------------------------ KANDOU BUS 
Confidentiality Notice
-------------------------------------------
The preceding message (including any attachments) 
contains proprietary
information that may be confidential, privileged, or 
constitute non-public
information.
It is to be read and used solely by the intended 
recipient(s) or
conveyed only to the designated recipient(s).
If you are not an intended recipient of this message, 
please notify the
author or sender immediately by replying to this message 
and delete this
message (including any attachments hereto) immediately 
from your system.
You should not read, retain, disseminate, distribute, 
copy or use this
message in whole or in part for any purpose, not 
disclose all or any part
of its content to any other person.
------------------------------------ KANDOU BUS 
Confidentiality Notice
-------------------------------------------
------------------------------------------------------------------ 

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




------------------------------------------------------------------ 

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: