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

  • From: "Smith, Larry" <larrys@xxxxxxxxxxxxxxxx>
  • To: "buenoshun@xxxxxxxxx" <buenoshun@xxxxxxxxx>, "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>, Istvan Novak <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>
  • Date: Sat, 16 Jan 2016 01:35:32 +0000

Istvan, Istvan, Steve and all – It depends a lot on what we want to do with the 
VRM models.
If we want to make the VRM stable, check phase margin and gain margin, optimize 
output capacitors and check the step response, then we need very accurate 
models, probably transistor by transistor.  These models would be appropriate 
for simulating open loop gain, small-signal impedance and doing detailed VRM 
design including selection of the output capacitor.  

On the other hand, if we are trying to see how well a PDN meets target 
impedance over a broad frequency range, a much simpler VRM model will work. For 
power integrity  purposes we often want to evaluate on-die capacitance, package 
inductance, package capacitors, board power planes,  board capacitors, etc.  
These considerations are beyond the bandwidth of the VRM and a complex VRM 
model just gets in the way.  

For one thing, the output of an SMPS (switch mode power supply) VRM is 
non-linear and time varying.  This is our first hint that a VRM cannot be 
modeled very well in the frequency domain.  When we check our PDN impedance 
against a target impedance, we usually want to use the maximum transient 
current (dI) that is likely to be consumed by the load.  This often involves a 
current step that starts at nearly zero and abruptly rises to nearly the 
maximum current that can be delivered by the VRM.  We also want to simulate the 
opposite step where we start near maximum current and abruptly go to zero.  

VRMs behave very differently for the positive and negative current steps.  For 
example, the VRM may produce a 50 mV voltage droop on the positive edge and 100 
mV spike on the negative edge.  This is very non-linear because we get twice 
the voltage for the same delta current depending upon the direction.  This 
behavior comes from the circuit topology changing in time (SMPS).  A linear VRM 
can have similar results if there is only a current pass device and no current 
pull down device.  The output impedance depends upon the direction of change in 
large-signal load current.  When voltage waveforms are measured in the time 
domain, we usually see much more ringing on the current release compared to the 
current attack.  This indicates the q-factors are very different.  It 
essentially says that the VRM impedance cannot be well represented in the 
frequency domain.  VRM large-signal simulation really only makes sense in the 
time domain with non-linear models.  

Never-the-less, we need some kind of VRM model in the frequency domain in order 
to do our target impedance simulation and evaluate the high frequency 
components of the PDN.  We certainly do not want to hook an ideal voltage 
source (zero output impedance) to our bulk capacitors and our PDN rail.  This 
was the motivation for simple 2 and 4 element linear models for the VRM.  They 
are used to connect an ideal voltage source to the rest of the VRM for target 
impedance simulations but should never be used to evaluate the behavior of the 
VRM.  The simple model does not look so bad once we realize that it is not 
possible to accurately represent the VRM in the frequency domain for the target 
impedance simulation.  It gives reasonable results in both the frequency and 
time domains.  

My friend at work likes to say, “There are no accurate models but some models 
are useful.”  That applies to this situation.  We need to choose models for the 
simulation at hand and be careful to interpret the results appropriately.  

Regards,
Larry Smith

PS - Janine Love has set up at time for us to meet at DesignCon.  Perhaps we 
can discuss this further at that time.  12:45 PM on Thursday, room M1.  

-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Istvan Nagy
Sent: Thursday, January 14, 2016 8:51 AM
To: si-list@xxxxxxxxxxxxx; Istvan Novak
Subject: [SI-LIST] Re: VRM bode plot transformation into output imp profile

Hi,

Actually I am concerned about both but separately: stability and output 
impedance.
Stability for its own sake (it has to be stable), and impedance for decoupling 
analysis.
For stability currently we rely on VRM-vendor-FAE and their simulations. For 
frequency domain decoupling and impedance profile I have to rely on myself 
(designer and SI engineer in one is my role).
For example Intel (used to?) provide a target impedance curve, that is flat for 
low freq (VRM and bulk caps region), then from 20MHz it increase the impedance 
line by 20db/decade if I remember correctly. To meet a requirement like that 
with my system actual impedance profile, all elements (VRM, bulk caps, cer 
caps, powerplanes) have to be below the curve. The VRM imp profile was unknown 
to me so far, the others were easy to simulate/generate.
I will be on DesignCon on wed/thurs.

Regards,
Istvan Nagy

-----Original Message----- 
From: Istvan Novak
Sent: Thursday, January 14, 2016 5:23 AM
To: buenoshun@xxxxxxxxx ; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: Re: [SI-LIST] Re: VRM bode plot transformation into output imp 
profile

Istvan,

As Steve pointed out, the vendor models are first order, giving you
overall guidance about the highest-level bits only.
We had models from popular vendors where even the first-order behavior
was very off.  So back to Steve's point, and something I also wanted to
stress again: you need (your own) test results.

You say you are concerned about impedance profile rather than converter
stability.  Actually the two go hand-in-hand.  If you understand how to
read the results, you can get a reasonably good feel about the shape of
the impedance curve just by looking at the Bode plot (but you wont get
absolute numbers without having additional info).  On the other hand, if
you look at the impedance curve, you can have a pretty good idea about
the loop stability.  In this sense I agree with you that you dont need
to care for the loop stability: if the impedance profile looks OK, it
automatically means you have enough phase and gain margin.

BTW: dependent on whos components you use, some vendors also provide the
approximate output impedance plot inside the same tool.

If you are at DesignCon next week, we can talk more.

Regards,
Istvan Novak
Oracle


On 1/13/2016 12:14 PM, Istvan Nagy wrote:

Istvan,
Thank you. Its good to know all those effects. Even then we start with a 
simulation before prototype, and I prefer going as far as possible at this 
stage as a starting point.

My point is: I assume the VRM vendors built very accurate averaged or 
spice or whatever models (transistor-level, etc) inside their simulation 
tools. I cannot get these models from them to use in my chosen simulation 
tool, but I can get the bode plot from their tool. Then all i need is 
transforming their output (bode plot) into the impedance profile plot. 
Then transforming that into an s-parameter (touchstone) file. Then placing 
this s-parameter file into my system-PI simulation.
So I am not looking to build/use averaged neither spice models of the VRMs 
in my simulations, but want to create the s-parameter model from bode 
plot.
I am sure the VRM vendors can build more accurate averaged models for 
their chips than I could, so I don't bother building such models anymore. 
I am NOT trying to build a functional VRM model. I tried before (like in 
my pdf), but now I am abandoning it. Instead I want to extract the o.imp 
profile from the vendor's tool.
It might still not be 100% accurate, but it is more accurate than the 
model I would build for their chip. I just want to take advantage of this 
(the work the vrm vendor did with modelling), and eliminate the 
hassle/risk (risk of mistake) of building averaged or spice models myself.

The other thing is, I want to see the complete impedance profile of the 
PDN (vrm+bulkcaps+cercaps+pplane+bgapackage) before building the proto. 
VRM stability is analyzed in the VRM-vendor's tool, so in this discussion 
I am not aiming for that. I want to see whether the PDN impedance profile 
meets the target impedance profile (line or curve). Especially at lower 
frequencies.
So the VRM should be optimized both for stability (bode) and for 
decoupling and target impedance (o.imp.).

"you can apply simple calculations of an amplifier block with a feedback."
-Remind me, what these calculations are exactly? Where can I find the 
equations? Because that's what I was looking for.

" 'transparency' that your output impedance also depends on the source 
impedance."
I may have to build 2-stage models or worst-case models. My 110V/12V main 
PSU then the 12V/0.9V core regulator in series for example.

For the layout effects, I am hoping proper design techniques can reduce 
them significantly. Simulating together with layout would be very 
difficult to arrange with vrm vendor’s tools and system vendor’s 
boards (my designs). It would probbaly require the system vendor to have 
access to VRM spice/averaged/other models directly. With my post I am 
trying to eliminate this need and get a good compromise solution.


Faraydon,
That's what I am looking for, but with more detail.


Regards,
Istvan Nagy

From: istvan.novak@xxxxxxxxxxx
Sent: Wednesday, January 13, 2016 5:04 AM
To: buenoshun@xxxxxxxxx ; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: Re: [SI-LIST] VRM bode plot transformation into output imp 
profile

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 circuits and applications. The first thing to keep in 
mind:
as Lee often reminds this list, you get what you pay for.

Going from loop 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 designs; 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 tool
(which most of them are also averaged, and capture only the first-order
effects) will give you the details you missed in your simple model; it 
will not.

The biggest challenge in these days is coming from all of the secondary 
effects
that are very hard to model. Many years ago converters tended to be
stand-alone, well-isolated blocks, where source and load conditions had
less influence on the performance. 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 nonlinear
functions of modern controllers, you should not expect to capture it with 
a
simple SPICE model. The selection of control-loop type also makes a big
difference: some (like current-mode control) are more friendly to simple
modeling, because they tend to be less sensitive to second-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 the same components, may perform
very differently dependent on the board stackup and small layout details.

Some of these challenges were described in past publications, for instance
http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC12_11-MP2.pdf
http://www.electrical-integrity.com/Paper_download_files/DC15_11_FR1_Paper_ImpactofRegulatorSense_point.pdf
(this second paper described second-order scenarios that should be easy
to simulate if you have the proper averaged model for the converter.
At DesignCon 2016 you will also find multiple talks that touch on this 
subject
and we can chat if you attend.

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

Regards,

Istvan Novak
Oracle





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
frequency-responses of the VRM (output impedance profile), all the
capacitors, the power planes and maybe some properties of the chips (pin
inductance, package decaps..). I would do this combined simulation in AC
small signal mode in SPICE or ADS or similar. The model of the capacitors 
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 suggested 2-element or
4-element lumped models that are probably not accurate at all, especially
for modern digital controllers. Building an "averaged model" would not be
possible for me, as I am not working at the VRM-chip companies. I tried to
make estimated models for VRM, but they are probably very inaccurate, as I
cannot model all the effects in the VRM with my simple spice models:
http://www.buenos.extra.hu/download/QUCS_PowerIntegrity-doc.pdf
So, I thought we could get more accurate VRM models for power 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 current vs voltage source being
used. Then impedance/frequency (Z-parameter) plots can be transformed into
S-parameter/frequency plots (touchstone file) in easy and known ways. Then
these touchstone files can be placed as components in AC simulation is
QUCS-spice or Agilent-ADS.
All VRM chip vendors provide simulation tools to generate "OPEN loop GAIN
(bode plot)". So we can get this plot for every project easily. Maybe we
could transform this plot into a "CLOSED loop output IMPEDANCE profile".
Most/any chip vendors don't provide tools to generate the impedance 
profile,
I don't know enough about the internals of each VRM to build accurate 
models
that I can simulate directly for output impedance, but Bode tools are 
common
and easily available.
The problem is, I have no idea how to transform one into the other, and no
idea whether it is possible at all. That's my missing link.
"OPEN loop GAIN (bode plot)" ==[??]==> "CLOSED loop output IMPEDANCE
profile".

What I am looking for is a reusable model, equations or tools, so for 
every
rail in every project I could simulate the PI quickly.
Any comments?
Is it 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@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




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

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




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

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