本文介绍了一项关于系统级封装（System-in-Package, SiP）中同时切换的开关模式转换器（Switch-Mode Converters）的电源完整性（Power Integrity, PI）建模研究。该研究由Gabriel Nobert、Nicolas G. Constantin和Yves Blaquière共同完成，发表在《IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility》期刊上，并于2024年11月21日被接受发表。研究得到了加拿大自然科学与工程研究委员会（Natural Sciences and Engineering Research Council, NSERC）的支持。
随着电子设备尺寸的不断缩小，系统级封装（SiP）技术在现代电子系统中得到了广泛应用。SiP将数字系统、开关模式转换器等噪声生成电路与敏感的模拟和混合信号电路（如模数转换器、运算放大器等）集成在一起。然而，这种高密度集成也带来了电源完整性和电磁兼容性（Electromagnetic Compatibility, EMC）方面的挑战。特别是，开关模式转换器在切换时会产生高频噪声，这些噪声会通过电源分配网络（Power Distribution Network, PDN）传播，影响敏感电路的性能。
传统的电源完整性建模方法在GHz频率范围内存在局限性，尤其是在多个转换器同时切换的情况下。现有的行为模型（Behavioral Models）通常只能预测100 MHz以下的噪声，而基于氮化镓高电子迁移率晶体管（Gallium Nitride High-Electron-Mobility Transistor, GaN HEMT）的开关模式转换器可以在纳秒级切换时间内产生GHz频率的噪声。因此，本研究提出了一种新的行为模型，用于预测在GHz频率范围内多个开关模式转换器同时切换时的电源完整性特性。
本研究的主要目标是开发一种能够预测SiP中多个开关模式转换器同时切换时电源完整性特性的行为模型。研究流程包括以下几个步骤：
模型构建：研究提出了一种基于时间域和频域的行为模型，用于预测多个开关模式转换器同时切换时敏感电路电源轨上的电压波动。模型的核心是将每个开关模式转换器视为一个瞬态电流源，并通过频域中的传递阻抗（Transimpedance）和切换电流的乘积来计算电压波动。
实验验证：为了验证模型的有效性，研究团队设计了一个实验板，包含四个基于GaN HEMT的开关模式转换器。实验板通过矢量网络分析仪（Vector Network Analyzer, VNA）和传输线电流测量技术对系统的传递阻抗和切换电流进行了测量。
数据采集与分析：实验过程中，研究团队测量了不同负载电流、输入电压和栅极驱动条件下的切换电流，并通过频域和时域分析验证了模型的预测精度。实验结果表明，模型在0到1.9 GHz频率范围内的预测精度优于6 dB，且在不同条件下的归一化均方误差（Normalized Mean Squared Error, NMSE）均低于0.624。
研究的主要结果包括： 1. 模型预测精度：在单转换器切换的情况下，模型在0到1.9 GHz频率范围内的预测精度优于6 dB，且在不同条件下的归一化均方误差（NMSE）均低于0.25。在多个转换器同时切换的情况下，模型的预测精度也达到了类似水平，NMSE在0.189到0.616之间。
叠加原理验证：研究验证了线性时不变系统（Linear Time-Invariant, LTI）的叠加原理在多个转换器同时切换时的有效性。实验结果表明，当两个转换器同时切换时，电压波动的预测结果与实验测量结果高度一致，NMSE在0.125到0.264之间。
共模电流的影响：研究还探讨了共模电流（Common-Mode Current, CM）对模型精度的影响。尽管模型主要考虑了差模电流（Differential-Mode Current, DM），但实验结果表明，共模电流的影响在大多数情况下可以忽略不计，尤其是在低边切换时。
本研究提出了一种新的电源完整性模型，能够有效预测SiP中多个开关模式转换器同时切换时的电压波动。该模型在GHz频率范围内具有较高的预测精度，尤其是在多个转换器同时切换的情况下。研究结果为SiP设计中的电源完整性分析提供了新的工具，有助于优化电源分配网络的设计，减少高频噪声对敏感电路的影响。
研究还探讨了共模电流对模型精度的影响，并提出了通过铁氧体磁珠（Ferrite Bead）来抑制共模电流的方法。这一发现为未来研究提供了新的方向，尤其是在高频噪声抑制方面。
本研究为SiP设计中的电源完整性分析提供了新的理论依据和实验验证，具有重要的科学和应用价值。