1小时学会PDN设计(一)

2019年5月5日 FireSu 1470  1  0
去耦电容的作用是什么?什么叫PDN?PDN的物理意义是什么?如何读懂PDN曲线?

PDN是电源完整性中重要的角色之一。

对于了解PDN的工程师来说,PDN的设计轻而易举。而对于一知半解的人,PDN就像不可跨越的鸿沟,阻断了其技术晋升之道。

想必我们都听过,电容的重要作用之一就是去耦。

那么,在你的原理图设计和PCB设计过程中,你是如何设计去耦电容的呢?

当你摆放上一颗电容的时候,是否有想过,

为什么放置的是100nF而不是470nF

为什么放置的是0201封装而不是0402封装?

为什么这个电容要摆放在这个位置?到底是横摆好还是竖摆好?

如果你从未考虑过以上3个问题,而你又想成为技术大咖,那么请喝口水,端坐,认真阅读接下来的硬知识。

 

什么是PDN

PDN全称为power delivery network,翻译为中文为电源分配网络。仅从字面意思上,似乎很难理解这个概念。

我们换个角度来看。

网络可以干什么呢?想必很多人都知道,网络可以传送信息。而电源分配网络能干什么呢?自然而然,电源分配网络就是为了传送电流,输送功率。

所以,电源分配网络(PDN)就是将电源功率从电源输送给负载的实体路径。电流通过PDN从电源端流向负载端,再通过PDN,从负载端流回电源端。

假如拿电池,接两根线点亮1个灯泡。

那么正极和负极的两条线就叫PDN

 

为什么要研究PDN

通过以上的例子,似乎PDN瞬间变得简单了,但如果真的这么简单,我们又何必大动干戈地去研究PDN呢?这就要研究理想与现实的差异了(又一个活生生的例子)。

在我们以前的学习过程中,都假设导线是理想模型,即:

无阻抗,(R0=0Ω),

无寄生电感(L0=0pH),

无寄生电容(C0=0pF)。

而实际生活中,任何金属都存在很低的阻抗和寄生电感,导线的实际模型如下:

所谓良好的导体实际是:

阻抗很低,(R0=8mΩ),

寄生电感很低(L0=8pH

C0G0则依赖于正极导线和负极导线的距离。一般C0极小,G0极大。

那么,原本简单的PDN,随着应用场景不同,也会出现相应的问题。以电池灯泡模型为例:

1.      假如点亮灯泡需要至少5V的电压,1A的电流,在理想导线模型下,我们电池只需要输出5V即可。但实际情况下,由于正负极导线均存在8mΩ的阻抗,正负极导线会存在大约1Ax16mΩ=0.016V的压降,若想点亮灯泡,电池需要至少5.016V的电压。经过PDN的电流越大,压降越大,要求PDN的供电电压更高

2.      假如点亮灯泡需要的不是稳态电流,而是幅度1A,频率1GHz的交流电流,在理想导线模型下,无论频率怎么变化,电池都可以满足灯泡的需求。而实际情况下,由于正负极导线均存在8pH的寄生电感,导线上存在放入感抗X0=1GHz x 2π x 16pH=100mΩ。经过1A电流,压降为0.1V。所以需要电池供电电压至少为5.1V。频率越高,阻抗越大,压降也越大,要求的供电电压要更高。

可以看出,负载大小和负载频率的变化,最终都会导致PDN传输的负载的电压不再与电源输出相等,一旦负载获得的电压低于负载的工作需求,就会导致负载发生不可预见性的故障。

所以研究PDN的物理意义如下:

1.      当负载稳态电流达到某个值时,PDN直流阻抗不得超过XXX(mΩ),来保证最大电流场景下,电源的供电电压满足负载的工作电压范围,这是PDN的低频部分。(Eg:我们经常会根据这个特性来计算PDN的目标值。假如某电源稳态输出为1V,最大电流为3A,要求输入电压波动不得小于5%50mV),则目标阻抗Z0=16.6mΩ。故PDN直流阻抗务必小于16.6mΩ。)

2.      当负载瞬态电流随着频率变化是,PDN上的寄生参数要足够小,来保证在某一频段范围内,PDN阻抗不得超过XXX(mΩ),来保证最大电流场景下,电源的供电电压满足负载的工作电压范围,这是PDN的高频部分

 

如何读懂PDN曲线?

我们经常会看到PDN的仿真报告中,会给出如下形式的曲线:

纵坐标为阻抗,横坐标为频率。

通过PDN的物理意义,我们可以轻松看出:

1.      该图要求频率从1KHz1GHz之间,PDN阻抗要低于30mΩ以下。

2.      实际PDN曲线在100MHz附近,大约300MHz以上时,PDN阻抗超标。其他频率范围,PDN满足要求。

现在我们通过简单的电池灯泡模型,理解了PDN的作用,PDN的物理意义以及PDN曲线读图。

在后续部分,我们将引入PCB供电模型,来重点讲解PDN的组成,让大家来理解,去耦电容、电源平面的作用。

 

PS:本文图片引自百度,本文阐述为原创内容,未经允许,禁止转载。觉得本文不错,给作者点个赞,打个赏。

(未完待续)

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