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

  • From: "Sherman Shan" <dmarc-noreply@xxxxxxxxxxxxx> (Redacted sender "shan" for DMARC)
  • To: <bowden.ivor@xxxxxxxxx>, <si-list@xxxxxxxxxxxxx>, "'agathon'" <hreidmarkailen@xxxxxxxxx>
  • Date: Thu, 5 Dec 2019 06:29:57 -0000

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

------------------------------------------------------------------
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: