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

  • From: "He, Jiangqi" <jiangqi.he@xxxxxxxxx>
  • To: "charles@xxxxxxxx" <charles@xxxxxxxx>, "istvan.novak@xxxxxxxxxxx" <istvan.novak@xxxxxxxxxxx>, "buenoshun@xxxxxxxxx" <buenoshun@xxxxxxxxx>, "si-list@xxxxxxxxxxxxx" <si-list@xxxxxxxxxxxxx>
  • Date: Wed, 13 Jan 2016 14:52:43 +0000

If you have Intel library access (Intel customers, vendors, etc), you may find 
a document number #550513 which lists a lot VR models in SIMPLIS that are 
provided by many VR vendors. Currently those models are based on VR13 spec (for 
server system). A lot details about model accuracy/correlation, simulation 
speed, methodology are documented as well.
-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of Charles Hymowitz
Sent: Wednesday, January 13, 2016 7:43 AM
To: istvan.novak@xxxxxxxxxxx; buenoshun@xxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Re: VRM bode plot transformation into output imp profile

Istvan
This (your process outline below) sounds a lot like about what we are trying to 
tackle with NISM (Non-Invasive Stability Measurement) and the trials and 
tribulations we have had making SPICE models for regulators. 

Please see the paper "Why Regulators Need Modeling, Testing, and Analysis" on 
http://www.aeng.com/design_analysis.htm or email be directly for more details ;
on the SPICE model process, but there is zero chance that a general or generic 
SPICE model can be developed for VRMs (as you point out the secondary effects 
are a killer). From our experience making models for almost all of the analog 
IC vendors I can tell you that linear regulator behavior is so nonlinear over 
their operating conditions that it is almost impossible to even make a macro 
model, let along something 'generic'. In most cases, the transistor level model 
is needed to emulate the control loop accurately. While the vendors give us the 
transistor level models for the parts we model, they will not usually do that 
for end customers. I will not say that the problem is intractable, certainly 
the PDN modeling is challenging in itself, but unless the operating point of 
the VRM operation can be narrowed down to a slim win  dow, modeling the VRM 
without the transistor level model is a tall and very time-consuming order.

As I said I am happy to discuss our many experiences with SPICE modeling of 
VRMs but its better done on the phone or in person.
This is a great topic for the Power Integrity Meet Up at Designcon (which Steve 
Sandler and I will be at).

Charles Hymowitz - Managing Director
AEi Systems, LLC
Charles@xxxxxxxx
(310) 216-1144
(310) 863-8034 (M)

http://www.aeng.com – Analytical Heavy Lifting


-----Original Message-----
From: si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx [mailto:si-list-bounce@xxxxxxxxxxxxx] On ;
Behalf Of istvan.novak@xxxxxxxxxxx
Sent: Wednesday, January 13, 2016 6:19 AM
To: buenoshun@xxxxxxxxx; si-list@xxxxxxxxxxxxx
Subject: [SI-LIST] Re: 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 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
  

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