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

  • From: Ivor Bowden <bowden.ivor@xxxxxxxxx>
  • To: si-list@xxxxxxxxxxxxx, agathon <hreidmarkailen@xxxxxxxxx>
  • Date: Tue, 3 Dec 2019 15:54:15 -0800

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
  

Other related posts: