電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）分析方向

導(dǎo)讀：所有的產(chǎn)品離不開電源，從芯片級到封裝級再到板級，從晶體管到鍵合線再到銅箔，電源的協(xié)同設(shè)計(jì)可以貫穿整個產(chǎn)品級。電源如此重要，卻充滿著設(shè)計(jì)挑戰(zhàn)，從耦合到串?dāng)_再到噪聲，如何保證電源的輸送是電源工程師必須要考慮和解決的。

一、阻抗的管控說到底就是路徑管控

電源輸送可以理解為電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN），從源端穩(wěn)壓模塊（VRM）到芯片，芯片分配電壓，再到電源路徑（單層直達(dá)或過孔轉(zhuǎn)換的幾個層面），最終流向使用芯片或終端設(shè)備。

電源路徑與信號路徑是有區(qū)別的，電源分配網(wǎng)絡(luò)中一個電源路徑可以在一個節(jié)點(diǎn)分成多個路徑，或者說轉(zhuǎn)換成多個電源，終端掛多個元器件，可以理解為一對多，而信號路徑只能一對一。

既然電源分配網(wǎng)絡(luò)是為終端設(shè)備提供所需電源，那就是有要求，就需要對電源分配網(wǎng)絡(luò)管控。當(dāng)交流電流通過電源路徑時，電源分配網(wǎng)絡(luò)上也將產(chǎn)生電壓降，這個壓降會隨著頻率發(fā)生變化。電源路徑的不同（層數(shù)&Shape寬度等），造成的壓降變化是不同的，輸出穩(wěn)定電壓到終端的難度很大，我們所要做的只是保證電壓的變化在一定的范圍之內(nèi)，也就是所謂的噪聲容差，將其轉(zhuǎn)換為目標(biāo)阻抗：

一般默認(rèn)，電流為最大電流值的50%。PCB板級PDN設(shè)計(jì)，最先需要確定的便是電源分配網(wǎng)絡(luò)的目標(biāo)阻抗。

說到目標(biāo)阻抗管控，在實(shí)際工作中，鋪電源網(wǎng)絡(luò)，即電源從源端到終端的路徑，路徑上電壓是有變化的，那么電源分配網(wǎng)絡(luò)的電流就會有波動，目標(biāo)阻抗的管控說到底就是路徑管控。如何管控？兩個方向：電源和地平面的介質(zhì)和短而寬的連接。

二、電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）分析方向

電源分配網(wǎng)絡(luò)（PDN）有兩種分析方向：單點(diǎn)式和分布式。

單點(diǎn)式分析假設(shè)平面電壓為常量，終端的去耦電容為并聯(lián)，這里主要考慮的是諧振與反諧振，低頻情況下，可以忽略平面電感的影響，但是還是要考慮平面電感和平面間距的影響。

平面電感可以看成為分布式電壓，有平面有變化的電壓，會產(chǎn)生駐波（全波即為360°相移，半波則為180°反相），就會在一些頻率處產(chǎn)生諧振。

任何諧振電磁結(jié)構(gòu)中存儲的能量（電&磁）在一段時間內(nèi)都會在電場和磁場之間周期性振蕩，這說明能量在交替變換，在最大值和零值之間。

以版圖設(shè)計(jì)的平面，可以理解為矩形諧振腔為例，能量到達(dá)平面邊緣，會發(fā)生反射。反射回來的能量會和入射能量進(jìn)行交換，相位相同形成最大值，即波峰，相位相反形成形成零值，即波谷。有些達(dá)到平面邊緣的能量沒有反射回來，就會形成噪聲，產(chǎn)生EMI問題。

在平面諧振的頻率點(diǎn)上，去耦電容的位置就很關(guān)鍵，需要它們放在電壓的最大值處以便更好地減少平面間的反彈。

三、消費(fèi)類產(chǎn)品電源設(shè)計(jì)

下圖為消費(fèi)類產(chǎn)品設(shè)計(jì)電源部分的實(shí)際情況圖：

板級電源分配網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的頻率范圍約從 1MHz 到 100 MHz，其實(shí)根本到不了100M，這個頻率范圍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 。這也是PCB板級電源仿真時需要重點(diǎn)關(guān)注的。

PDN設(shè)計(jì)一般就是指在PCB板級上給電源提供低阻抗路徑。這里面還有電容擺放位置、電容不同容值&個數(shù)、反諧振等方面，到仿真這一邊，就是交流部分：PDN阻抗提取和直流部分：IR Drop壓降。下圖說明，是否使能電容對PDN阻抗的影響很大。

四、電源路徑規(guī)劃怎么做？

先期評估，確認(rèn)各個電所需層面和路徑的時候，我們會預(yù)先根據(jù)相關(guān)規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，制定一個電源樹（Power tree）。個人覺得電源樹的概念提的特別好。一個主干道有很多分支，分支上再有分叉，一直到末端。

電源分配網(wǎng)絡(luò)可以有很多分支，也就是說路徑上可以掛很多設(shè)備，比如5V電源下掛HDD，USB設(shè)備等。比如12 V的電轉(zhuǎn)出5V，5V總電分出分支，給到各種設(shè)備。5V經(jīng)過LDO轉(zhuǎn)換電路出3.3V電，，3.3V總電分出分支，再往下繼續(xù)……

同時列出各個分支所需電流的多少，為后面路徑規(guī)劃（所需電源Shape大小給出標(biāo)準(zhǔn)），同時給出對應(yīng)的層面及評估。

在做電源路徑規(guī)劃，建議先做電源樹Power Tree，對所做設(shè)計(jì)的終端設(shè)備所需電壓路徑及所需電流大小一一評估，產(chǎn)品的不同，有的產(chǎn)品可能會使用幾十種電壓值。檢查的時候，建議從終端往前反推，這樣保證沒有遺漏。

不管什么產(chǎn)品，電源是其最重要的部分。特別是消費(fèi)類產(chǎn)品，在成本的管控之下，會通過各種手段降低成本，最直觀的減小MLCC的使用種類和數(shù)量，電源的優(yōu)化是一項(xiàng)很重要的工作，通過優(yōu)化，來降低產(chǎn)品成本，這也是電源完整性的作用和職責(zé)所在。

審核編輯 ：李倩