如何解決PDN設(shè)計(jì)中的各種問題

介紹

當(dāng)PCB設(shè)計(jì)人員聽到“PDN（Power distribution network）”或“配電網(wǎng)絡(luò)”這個(gè)術(shù)語時(shí)，可能會(huì)覺得很復(fù)雜。實(shí)際上，PDN的目標(biāo)與介紹PDN性能的大多數(shù)PCB設(shè)計(jì)方面一樣簡單。在本文中，我們將介紹PDN設(shè)計(jì)的各個(gè)方面，以及PCB設(shè)計(jì)人員如何應(yīng)用它們。

總體目標(biāo)：為負(fù)載提供足夠的電流和電壓

配電網(wǎng)絡(luò)的基本目標(biāo)非常簡單 - 為每個(gè)負(fù)載提供足夠的電流和電壓，以滿足其運(yùn)行要求。雖然PDN的整體設(shè)計(jì)，包括電壓調(diào)節(jié)器，去耦，封裝，部件的安裝等都是具有挑戰(zhàn)性的，需要專門的培訓(xùn)和經(jīng)驗(yàn)，優(yōu)化PDN性能的PCB并不復(fù)雜，因?yàn)镻CB設(shè)計(jì)人員可以做的很有限。在本文中，我們將重點(diǎn)介紹PCB布局中要考慮的內(nèi)容，以確保你的PCB設(shè)計(jì)能夠?yàn)樗胸?fù)載提供足夠的電流和電壓。

要求1：信號(hào)源和負(fù)載之間的有效金屬

確保每個(gè)信號(hào)源和其相應(yīng)負(fù)載之間有足夠的金屬（通常是銅）是PDN設(shè)計(jì)的最關(guān)鍵的地方。一方面，對(duì)于標(biāo)定的成本，IPC-2152提供相當(dāng)簡單的指導(dǎo)方法。給定電流和溫度的最大值，規(guī)范告訴您，該設(shè)計(jì)的最小寬度應(yīng)為多少。不幸的是，只有使用IPC-2152的設(shè)計(jì)師才會(huì)過度設(shè)計(jì)PCB，而不知道設(shè)計(jì)中存在的問題，其中包括：

IPC-2152寬度建議是保守的。

它們代表使用來自最壞情況的數(shù)據(jù)進(jìn)行計(jì)算，用戶通常做出最保守的假設(shè)（例如允許溫度上升最小值）。使用IPC-2152制造的設(shè)計(jì)可能需更大的功率。

IPC-2152過孔建議是保守的。

這是特別需要注意的，因?yàn)橐粋€(gè)電源軌道的通孔可以穿透板子的上下層，因此應(yīng)該優(yōu)化數(shù)字和尺寸。 僅使用IPC-2152制造的設(shè)計(jì)可能需要更大或更多的電源通孔。

IPC-2152對(duì)相關(guān)電源軌的放置沒有任何深入的了解。

電壓調(diào)節(jié)器通常對(duì)與其相關(guān)的各種電源形狀，從輸入到輸出包括反饋，具有特定的要求。

設(shè)計(jì)人員需要更好的工具來優(yōu)化電源（和接地）導(dǎo)軌的尺寸和形狀，通常稱為“PI-DC”或“IR Drop”。 Altium已將此功能集成到PDN Analyzer的設(shè)計(jì)環(huán)境中，使其符合PDN要求。設(shè)計(jì)師不必依賴IPC-2152，而是可以分析每條電源軌，看看是否合適，包括IPC-2152未涉及的方面，如：

信號(hào)源和負(fù)載之間的距離

信號(hào)源和負(fù)載之間允許的電壓降

允許電流通過連接器引腳

從通孔，連接器等補(bǔ)償?shù)孛嬷械拇┛?/p>

PDN分析儀允許設(shè)計(jì)人員快速輕松地滿足PDN設(shè)計(jì)的最基本要求 - 優(yōu)化電源和負(fù)載之間的金屬設(shè)計(jì)。

要求2：電容尺寸，數(shù)值，編號(hào)和位置

PCB設(shè)計(jì)人員的下一個(gè)設(shè)計(jì)方案是電容優(yōu)化。首先，這可能是令人恐懼的，因?yàn)樗婕邦l率依賴特性，這比PI-DC方面更不直觀。幸運(yùn)的是，復(fù)雜性源自電容效率以及元件數(shù)量，而這些都由PCB設(shè)計(jì)師控制，包括：

電容選擇（尺寸，數(shù)量和數(shù)值）

電容放置的位置

層疊

最后兩個(gè)方面PCB設(shè)計(jì)人員可以最大限度的發(fā)揮作用，并且通過其優(yōu)化要求來確定具體的方法，包括：

在負(fù)載封裝周圍擴(kuò)展電容

器件盡可能靠近電路板表面

在電源和接地層之間使用最薄的電介質(zhì)

交替電容器通孔的極性，當(dāng)它們靠近時(shí)

設(shè)計(jì)人員可以借助免費(fèi)的工具對(duì)電容進(jìn)行優(yōu)化，包括Rolf Ostergaard（www.pdntool.com）和Altera。

設(shè)計(jì)復(fù)雜性的注釋

還有更復(fù)雜的電力輸送系統(tǒng)，如電機(jī)控制器，其他要求如電感器，反饋回路等，我們不會(huì)在這里具體講解。在這些情況下，訪問更復(fù)雜的分析工具和指南是必要的。

滿足每個(gè)信號(hào)源和負(fù)載要求的全系統(tǒng)的PDN設(shè)計(jì)是一項(xiàng)非常困難的工作。但是PDN分析儀能夠簡化這項(xiàng)工作，提高設(shè)計(jì)的可靠性。