LPDDR4X的VDDQ为什么是0.6V？电源设计的几个坑

做DDR硬件设计电源是另一个容易被忽略的环节。很多人DDR信号调得不错结果一上电就不稳定查了半天发现是电源纹波太大或者电压精度不够。这篇文章讲讲LPDDR4X的电源设计要点特别是VDDQ这个0.6V的电源。一、LPDDR4X到底需要几路电源先把电源需求理清楚。LPDDR4X内存芯片通常需要三路独立电源注意VDDQ是0.6V比传统DDR3的1.35V、DDR4的1.2V都低很多。为什么这么低二、为什么VDDQ要降到0.6V两个原因功耗和速率。第一功耗。CMOS电路的动态功耗公式是P C × V² × f功耗和电压的平方成正比。VDDQ从1.2V降到0.6V理论功耗就是1/4。这对移动设备、电池供电的产品来说太重要了——功耗降一半续航能涨一大截。第二速率。电压越低信号翻转越快芯片内部延迟越小。要跑到4266Mbps甚至更高的速率0.6V的VDDQ是基础。电压太高信号摆幅大翻转慢跑不到这么高的频率。这就是为什么LPDDR4X比LPDDR4省电、还更快——VDDQ从1.1V降到0.6V是核心原因。三、0.6V电源设计为什么难VDDQ虽然电压低但设计难度一点不小。几个坑1. 电压精度要求极高LPDDR4X的VDDQ标称是0.6V允许的范围是多少典型规格0.57V ~ 0.65V。也就是说精度要求是±5%。别小看这个5%0.6V的5%就是30mV。现在的DC-DC转换器输出精度一般是±2~3%看起来够了。但别忘了(1).负载瞬态变化的时候电压会掉下去(2).PCB走线有压降(3).电容ESR带来的纹波这些加起来很容易就超了30mV的容限。设计建议 VDDQ的电源纹波要控制在±15mV以内留一半裕量。2. 瞬态电流特别大LPDDR4X在工作的时候电流是动态变化的——读操作的时候电流大刷新的时候电流小待机的时候又很小。这个电流变化有多快微秒级的跳变可能从100mA跳到1A。如果电源响应慢了电压就会瞬间掉下去导致内存工作异常。这就是为什么很多人DDR有时候能跑、有时候不行——其实不是DDR的问题是电源瞬态响应跟不上。设计建议(1).VDDQ电源用专用的DC-DC不要和其他电源共用(2).每个内存芯片的VDDQ引脚旁边放足够多的去耦电容0.1μF 10μF组合(3). 电源走线要短、粗降低电感(4). 如果负载变化特别大考虑用LDO后级稳压或者加电容阵列3. 上电时序不能乱LPDDR4X有上电时序要求必须先VDD1/VDD2上电再VDDQ上电最后VDD2H上电。顺序错了芯片可能不工作甚至损坏。很多人用多路电源管理芯片上电时序是自动的。但如果用分立的DC-DC就要自己控制时序——用电源使能引脚级联或者用专门的时序控制芯片。上电顺序错了的症状(1). 芯片完全不工作读不出ID(2). 工作不正常初始化失败(3). 严重的话芯片永久损坏别抱着试试就知道的心态按数据手册的上电时序要求设计。四、VDDQ电压不准会有什么后果VDDQ电压偏高或偏低症状不一样电压偏低(1). 高低电平裕量变小信号容易出错(2). 高速率下跑不稳降频了就好了(3). 低温下更容易出问题电压偏高(1). 功耗增加芯片发热变大(2). 长期工作可靠性下降(3). 严重的话芯片寿命缩短怎么判断是不是电源问题最简单的方法用示波器测VDDQ引脚的实际电压和纹波。注意要测芯片引脚处的电压不是测DC-DC输出端——中间走线有压降。如果测出来纹波超过±30mV或者瞬态压降超过50mV那就是电源设计有问题先把电源搞好再调DDR。五、几个实操建议最后总结几个电源设计的要点(1). VDDQ用独立电源不要和其他负载共用一路(2). 输出精度选±2%以内的DC-DC留够裕量 (3). 去耦电容要够每个VDDQ引脚旁边放0.1μF每片芯片再放10μF(4). 测引脚处电压不是测电源输出端(5). 上电时序按数据手册来别自己改顺序(6). 高速应用做电源完整性仿真特别是大容量内存的设计我们在做汉四ROCFOUR的LPDDR4X参考设计的时候电源部分是反复验证过的——DC-DC选型、去耦电容位置、上电时序客户照着原理图抄电源这一块基本不会出问题。很多人DDR调试卡很久最后发现是电源没设计好这种弯路完全可以避免。有DDR电源设计相关的问题欢迎评论区交流。