[SI-LIST] Re: VRM bode plot transformation into output imp profile

  • From: istvan.novak@xxxxxxxxxxx
  • To: buenoshun@xxxxxxxxx, si-list@xxxxxxxxxxxxx
  • Date: Wed, 13 Jan 2016 07:18:34 -0600 (CST)

 Hi Istvan,
You are not alone with this challenge, but as usual= , the answer is "it
depends",
and there is no single generic= answer to this question that could fit the
very
wide spectrum of circ= uits and applications.  The first thing to keep in
mind:
as Lee o= ften reminds this list, you get what you pay for.

Going from loo= p gain to closed-loop output impedance: the theory
is there.  You= dont even need to pick up one of the many books on DC-DC
converter de= signs; you can apply simple calculations of an amplifier block
with a = feedback.  However, you have to set the expectations right: if you
think that your simple averaged model may not capture all of the effects,= 
you should not think that using the Bode plot predicted by a vendor t= ool
(which most of them are also averaged, and capture only the first-= order
effects) will give you the details you missed in your simple mod= el; it
willnot.

The biggest challenge in these days is coming f= rom all of the secondary
effects
that are very hard to model.  Ma= ny years ago converters tended to be
stand-alone, well-isolated blocks= , where source and load conditions had
less influence on the performan= ce.  As we tend to reduce those
input/output
barriers to achieve = cost and size reduction, you will find that many
converters
today will= show enough 'transparency' that your output impedance also
depends
on= the source impedance.  Also, if you DO count on any of the
nonlinearfunctions of modern controllers, you should not expect to capture
itw= ith a
simple SPICE model.  The selection of control-loop type als= o makes a big
difference: some (like current-mode control) are more fr= iendly to simple
modeling, because they tend to be less sensitive to s= econd-order effects.
Some others, like constant ON time and hysteretic= -type controllers have
a tendency to be much more sensitive to things = like layout details, which
are much harder to capture in simple models= .  Sometimes the same exact
circuit, even if you literally move t= he same components, may perform
very differently dependent on the boar= d stackup and small layout details.

Some of these challenges wer= e described in past publications, for instance
http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files=
/DC12_11-MP2.pdf[1]
http://www.electrical-integrity.com/Paper_downl=
oad_files/DC15_11_FR1_Paper_ImpactofRegulatorSense_point.pdf[2]
(this= second paper described second-order scenarios that should be easy
to = simulate if you have the proper averaged model for the converter.
At D= esignCon 2016  you will also find multiple talks that touch on this
su=bject
and we can chat if you attend.

We all have the desire= to do pre-layout and post-layout simulations to
capture
potential pro= blems before we build our boards.  In my experience though,
unles= s we can afford significant overdesign, you should always allow for
it= erations and design changes after your first build, and the changes
shouldbe based on actual validation.  This of course refers to cases wh= en
the
performance details matter; but otherwise why would you want to= do
more accurate simulations before you build the board?

R= egards,

Istvan Novak
Oracle
 
&nb= sp; On 01/13/16, Istvan Nagy<buenoshun@xxxxxxxxx> wrote:=  Hi,

This post is about theories on VRM modelling.

For power integrity analysis ideally we should combine the 
fre= quency-responses of the VRM (output impedance profile), all the 
capac= itors, the power planes and maybe some properties of the chips (pin 
i= nductance, package decaps..). I would do this combined simulation in AC
small signal mode in SPICE or ADS or similar. The model of the capacitor= s
is 
easily simulated (3-element ESL/ESR/C), the power planes can be = extracted 
with 2.5D-3D EM simulators into touchstone files. But, the = VRM model is
what 
I find more problems with. Older publications sugge= sted 2-element or 
4-element lumped models that are probably not accur= ate at all, especially 
for modern digital controllers. Building an &q= uot;averaged model" would
notbe 
possible for me, as I am not wo= rking at the VRM-chip companies. I tried to

make estimated models for= VRM, but they are probably very inaccurate, as I 
cannot model all th= e effects in the VRM with my simple spice models:
http://www.buenos.extra.hu/download/QUCS_PowerIntegrity= -doc.pdf[3]
So, I thought we could get more accurate VRM models for p= ower delivery 
system impedance profile simulation by transforming the= bode plot into an 
impedance profile. I think they basically describe= the same thing but in 
different ways, closed vs open loop and curren= t vs voltage source being 
used. Then impedance/frequency (Z-parameter= ) plots can be transformed into

S-parameter/frequency plots (touchsto= ne file) in easy and known ways. Then

these touchstone files can be p= laced as components in AC simulation is 
QUCS-spice or Agilent-ADS.All VRM chip vendors provide simulation tools to
generate "OPEN loo= p GAIN 
(bode plot)". So we can get this plot for every project e= asily. Maybe we 
could transform this plot into a "CLOSED loop ou= tput IMPEDANCE profile". 
Most/any chip vendors don't provide too= ls to generate the impedance
profile, 
I don't know enough about the i= nternals of each VRM to build accurate
models 
that I can simulate dir= ectly for output impedance, but Bode tools are
common 
and easily avai= lable.
The problem is, I have no idea how to transform one into the ot= her, and no

idea whether it is possible at all. That's my missing lin= k.
"OPEN loop GAIN (bode plot)" =3D=3D[??]=3D=3D> "C= LOSED loop output
IMPEDANCE 
profile".

What I am looki= ng for is a reusable model, equations or tools, so for
every
rail in = every project I could simulate the PI quickly.
Any comments?
Is i= t possible?

Regards,
Istvan Nagy
Board/hardware design= engineer


---
This email has been checked for viruses= by Avast antivirus software.
https://www.avast.com/antivirus

------------------------------------------------------------= ------
To unsubscribe from si-list:
si-list-request= @freelists.org[5] with 'unsubscribe' in the Subject field

or to= administer your membership from a web page, go to:
h= ttp://www.freelists.org/webpage/si-list[6]

For help:
si-list-request@xxxxxxxxxxxxx[7] with 'help' in the Subject field= 


List forum is accessible at:
http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list[8]

List = archives are viewable at: 
=09=09http://www.free= lists.org/archives/si-list[9]

Old (prior to June 6, 2001) list= archives are viewable at:
=09=09http://www.qsl.net/wb6tpu[10]




--- Links ---
   1 3D"http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_file=
   2 3D"http:/=
   3 3D"http://www.buenos.extra.hu/download/QUCS_PowerIntegrity-doc.pdf=
   4 3D"https://=
   5 
   6 3D"//www.freelists.org/webpage/si-list";
   7 3D"mailto:si-list-request@xxxxxxxxxxxxx";
   8 3D"http://tech.groups.yahoo.com/group/si-list";
   9 3D"h=
  10 3D"http=
------------------------------------------------------------------
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: