何謂電源分配網(wǎng)絡(luò)？電源分配網(wǎng)絡(luò)是由哪些部分組成的？

1.概述

電源分配網(wǎng)絡(luò)(Power Distribution Network,PDN)是將電源功率從源端輸送給負載的電路路徑，電流通過PDN的電源平面從電源端流向負載端，再通過PDN的地平面從負載端流回電源端。

在電路中對電源分配網(wǎng)絡(luò)的基本要求是保持芯片（Chip）焊球間或晶片（Die）凸點間供電電壓的穩(wěn)定，并使它能夠維持在一個很小的容差范圍內(nèi)，通常為5%以內(nèi)。

電源分配網(wǎng)絡(luò)的作用是為負載提供穩(wěn)定的電壓，并快速響應(yīng)負載電流變化、減小開關(guān)噪聲。

2.電源分配網(wǎng)絡(luò)的組成

按照功能來劃分，PDN主要是由電壓調(diào)節(jié)模塊(Voltage Regulator Module,VRM)、去耦電容、電源/地平面、電路走線和過孔等元素組成。

2.1.電壓調(diào)節(jié)模塊VRM

電壓調(diào)節(jié)模塊VRM，把一個DC電壓轉(zhuǎn)換成另一個DC電壓，因此也可以稱為DC-DC變換器。它感應(yīng)負載的電壓并通過調(diào)整輸出占空比以控制負載電壓?？刂苹芈返膸捦ǔＴ?KHz到數(shù)MHz間。

2.2.去耦電容

當頻率高于1MHZ并且VRM由于其高輸入阻抗不能有效供電時，PDN需要其他供電器件來保證供電能力，這時需要使用大量的去耦電容器來保證PDN的供電連續(xù)性。

因為去耦電容能夠存儲電荷，所以一旦芯片電路需要電荷，去耦電容器可以直接為開關(guān)電路供電。去耦電容器通常放置在電源與地平面之間，一個引腳連接電源平面，另一個引腳連接地平面。

由于去耦電容器寄生電感參數(shù)的影響，去耦電容器可以被分為低頻去耦電容器，中頻去耦電容器和高頻去耦電容器。

用以實現(xiàn)目標阻抗的電容器的有效去耦頻率如圖所示，低頻去耦電容器的有效頻率為1KHZ10KHZ，主要指體電容器；中頻去耦電容器的有效頻率為10MHZ100MHZ，主要指表貼電容器；高頻去耦電容器的有效頻率為100MHZ~1GHZ，主要指平面電容器。

去耦電容器按其使用位置可以分為三種：板級去耦電容器、封裝級去耦電容器和芯片內(nèi)去耦電容器。

2.3.電源/地平面

平面結(jié)構(gòu)是PDN功率傳輸性能最優(yōu)良的部分，其效率非常高，PCB和封裝都可以包含電源/地平面對。電源/地平面的主要問題是它表現(xiàn)為電磁諧振腔，諧振頻率由平面的大小和介質(zhì)的介電常數(shù)決定：

通過改變電源/地平面參數(shù)以提高PDN供電性能的方法主要有三種：第一種是在電源/地平面間使用薄介質(zhì)層，以提高PDN寬頻范圍內(nèi)供電能力和抑制噪聲能力；第二種是電源/地平面間使用具有高介電常數(shù)的介質(zhì)層，以提高PDN低頻區(qū)域的供電能力和噪聲抑制能力；第三種使用高損耗介質(zhì)材料，以抑制PDN諧振頻率處的噪聲波動和電磁輻射。

2.4.PCB走線和過孔

電路走線和過孔作為能量的傳遞者，將電源和去耦電容的電荷，盡可能無損耗的傳輸?shù)截撦d，保證負載正常運行。

因此在布局布線時，應(yīng)該盡量地降低ESR，保證PDN在低頻時滿足阻抗要求，同時也應(yīng)該盡可能降低等效串聯(lián)電感(ESL)，保證PDN在高頻時滿足阻抗要求。

3.目標阻抗

電源分配網(wǎng)絡(luò)的最大阻抗，即目標阻抗，就是形成小于可接受紋波壓降的最大阻抗。最佳的電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗值應(yīng)該低于但不應(yīng)該遠遠低于目標阻抗。如下所示：

4.電源分配網(wǎng)絡(luò)工程化建模

電源分配網(wǎng)絡(luò)可以在頻域里劃分3個成簡單區(qū)段。如下圖所示，在低于10kHz的頻率范圍內(nèi)，穩(wěn)壓模塊的性能對電源分配網(wǎng)絡(luò)阻抗起決定性的作用。

在10~100kHz的范圍，去耦電容器對電源分配網(wǎng)絡(luò)的阻抗起決定作用，通常是一些在穩(wěn)壓模塊作用頻率范圍上提供低阻抗的電解電容及鉭電容。最高頻率時的阻抗取決于片上電容，這一容性阻抗是芯片在GHz所看到的電源分配網(wǎng)絡(luò)的唯一特性。

任何芯片與電路板的接口都存在一些寄生電感。這通常取決于封裝、過孔，以及過孔到電源/地平面連接處的擴散電感。

板級電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計的頻率范圍約從 100 kHz 到100 MHz 。這正是電路板平面和多層陶瓷貼片電容器 (MLCC) 發(fā)揮作用的頻率范圍。

5.設(shè)計出成功的PDN的要素

首先是讓電源和地平面成為相鄰的平面層，平面之間的介質(zhì)要盡量薄，并且還要讓平面盡可能靠近電路板層疊結(jié)構(gòu)的表面層；其次在去耦電容器焊盤和連接內(nèi)層電源/地平面的過孔之間，使用盡可能短而寬的表層走線，并在具有最低回路電感的位置放置電容器；最后使用 SPICE 選擇最佳的電容器容值及其個數(shù)，以使阻抗曲線低于目標阻抗。

成功的 PDN 設(shè)計需要將許多不同的電源和接地網(wǎng)絡(luò)均勻地分配給電路板上的不同器件。雖然為每個所需的電壓設(shè)置一個單獨的平面層是一種比較方便的做法，但這些網(wǎng)絡(luò)的數(shù)量通常會超過電路板堆疊的可用層數(shù)量。

為了解決這個問題，板圖設(shè)計師通常會分割平面，以便在一個信號平面層上布置多個電源或接地網(wǎng)絡(luò)。然而，這樣做的挑戰(zhàn)在于，雖然分割平面確實有效地分配了不同的電源和接地網(wǎng)絡(luò)，但這也為信號返回路徑制造了額外的障礙。

因此， 設(shè)計師需要設(shè)計分割平面，以便均勻地提供所有的電源和接地，同時保留敏感的高速信號所需的清晰的回流路徑。