使用LDO实现PDN建模及其稳定性的研究设计说明

　　随着集成电路工艺的发展，片上系统（SoC）中电源分配网络（PDN）低电源电压和高集成度的需求大幅增加，传统的PDN结构难以满足细粒度电压、动态供电电压和负载响应速度等方面的需求。集成多个片上稳压器已经成为解决PDN功率传输问题的一个有效途径，目前片上稳压器多选用低压差线性稳压器（LDO）。然而，由于Multi-LDOs和庞大负载网络之间复杂的互连结构，使得PDN的稳定性面临巨大挑战。本课题来源于国家部委项目，论文基于LDO的研究与设计，重点针对片上集成多个数字LDOs的PDN建模及其稳定性判据展开研究。

　　通过对模拟LDO（A-LDO）工作机制的分析得到A-LDO不能在近阀值的电源电压附近工作，且模拟的实现方式导致A-LDO的工艺扩展性较差。论文为了验证稳定性方法的完备性，首先设计了一款A-LDO，采用源极跟随器作为误差放大器负载的电路结构和输出级补偿通路，改善了负载瞬态响应和系统稳定性。A-LDO基于SMIC0.13um CMOS工艺进行实现，输入电压范围1.75~3V，输出电压为1.5V，负载电流范围100uA-100mA内电路都稳定。在低于90mm特征尺寸下，针对片上PDN低电源电压稳压器的需求，采用“Verilog-A抽象模型+晶体管级电路”的混合楼型方法搭建了D-LDO模型。D-LDO结构基于模拟辅助环路和粗调/细调结合的策略改善了负载瞬态响应，实现低频10MHz时钟控制和低电源电压工作，支持Cap-free的设计。D-LDO 基于SMIC6Snm CMOS工艺进行实现，输入电压为0.6V，输出电压为0.5V，负载电流范围为3mA-15mA。

　　本文采用分隔的方法将PDN分为两个子系统G：n个LDOs、H：其余RLC负载网络，构成多输入多输出负反馈互连结构，并建立系统的数学模型。针对网格型网络片上PDN结构，搭建基于A-LDO和D-LDO的PDN物理模型，且模型参数是可配置的，利用混合稳定性方法对搭建的PDN模型进行稳定性验证。通过在PDN上集成4个A-LDOs的极点仿真结果，得到结论：随着LDOs集成的数目增加，PDN系统由稳定不断向不稳定方向移动。所以，传统的Bode图相位裕度方法已经不适用。

　　论文分别搭建了集成A-LDOs和D-LDOs两个5×5小型的PDN网络模型，使用Cadence spectre和Matlab联合仿真搭建验证平台，根据RHP极点法验证了混合稳定性方法的正确性。进一步搭建了集成30个D-LDOs的大型PDN网络，网络大小为30×35的1050个格点，使用混合稳定性方法进行稳定性评估，再通过瞬态仿真验证系统的稳定特性，证明了混合稳定性方法的高效性。