Approaches to enhance stability analysis in high-performance ICs with multiple LDO regulators

In high-performance integrated chips, the integration of multiple Low-Dropout (LDO) regulators has become an effective means of reducing power dissipation and noise. However, their deployment within a power delivery network introduces stability challenges due to inter-regulator interactions. The organization sponsoring this research relies on time-consuming brute force methods, such as transient analysis, which can take several days for a single simulation and is inefficient for engineers. Hence, this paper seeks to develop a more efficient stability assessment method. Traditional approaches, such as the Bode stability criterion, excel in Single-Input Single-Output systems but face limitations in evaluating the stability of Multiple-Input Multiple-Output (MIMO) systems, such as the one under investigation here. However, this paper challenges the conventional approach, aiming to assess its reliability for MIMO systems. Additionally, the Closed-Loop Stability test is examined, specifically for a power delivery network with ten million nodes. The question is whether the frequency response of the circuit can be sufficiently shortened, enabling engineers to run multiple simulations, recalibrate parameters, and predict system stability without relying on time-consuming transient analysis. The research focuses on the quality factor (Q-factor) and its relationship with time domain response parameters, aiming to comprehend system stability based on the frequency response. The research findings indicate that the Bode Stability method works for systems with two regulators and a power delivery network. But as more regulators are added, the complexity of interactions grows, leading to data showing no correlation between the frequency response and time domain. This has raised doubts about the reliability of this method. Conversely, closed-loop stability analysis exhibits robustness for MIMO systems with a strong correlation between the frequency and time domains. Previously, simulating a network of ten million nodes took approximately seven hours. Thus, the introduction of a curve-fitting algorithm that has significantly reduced simulation time to several seconds

Nelle chip integrate ad alte prestazioni, l'integrazione di più regolatori Low-Dropout (LDO) è diventata un efficace mezzo per ridurre la dissipazione di potenza e il rumore. Tuttavia, la loro implementazione all'interno di una rete di distribuzione di potenza introduce sfide di stabilità dovute alle interazioni tra regolatori. L'organizzazione che finanzia questa ricerca si basa su metodi laboriosi e dispendiosi in termini di tempo, come l'analisi transitoria, che può richiedere diversi giorni per una singola simulazione ed è inefficiente per gli ingegneri. Pertanto, questo lavoro cerca di sviluppare un metodo di valutazione della stabilità più efficiente. Le approcciate tradizionali, come il criterio di stabilità di Bode, eccellono nei sistemi Single-Input Single-Output ma affrontano limitazioni nell'valutare la stabilità dei sistemi Multiple-Input Multiple-Output (MIMO), come quello in esame qui. Tuttavia, questo lavoro mette in discussione l'approccio convenzionale, mirando a valutarne l'affidabilità per i sistemi MIMO. Inoltre, viene esaminato il test di stabilità in circuito chiuso, specificamente per una rete di distribuzione di potenza con dieci milioni di nodi. La domanda è se la risposta in frequenza del circuito possa essere sufficientemente abbreviata, consentendo agli ingegneri di eseguire molte simulazioni, ricalibrare i parametri e prevedere la stabilità del sistema senza dover fare affidamento sull'analisi transitoria laboriosa. La ricerca si concentra sul fattore di qualità (Q-factor) e sulla sua relazione con i parametri di risposta nel dominio del tempo, mirando a comprendere la stabilità del sistema basata sulla risposta in frequenza. I risultati della ricerca indicano che il metodo di stabilità di Bode funziona per sistemi con due regolatori e una rete di distribuzione di potenza. Ma aggiungendo ulteriori regolatori, la complessità delle interazioni aumenta, portando a dati che non mostrano correlazione tra la risposta in frequenza e il dominio del tempo. Questo ha sollevato dubbi sulla affidabilità di questo metodo. Al contrario, l'analisi di stabilità in circuito chiuso mostra robustezza per i sistemi MIMO con una forte correlazione tra la risposta in frequenza e il dominio del tempo. In precedenza, la simulazione di una rete di dieci milioni di nodi richiedeva circa sette ore. Pertanto, l'introduzione di un algoritmo di adattamento delle curve ha significativamente ridotto il tempo di simulazione a diversi secondi.