1小时学会PDN设计(三)

2019年5月6日 FireSu 1762  0  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?

之前的篇幅,我们已经了解了PDN的概念,研究PDN的意义,PDN曲线该怎么读图,高速PCBPDN的关系,PDN对高速PCB的影响。

本章将介绍PDN的组成部分。

让我们在原理图设计,布局,布线之前,就能在脑海中勾勒出PDN蓝图。胸有成竹地设计出优良性能的PDN

 

高速PCBPDN由哪几部分组成?

以电池灯泡模型为例,可以轻松看出,PDN主要由电源(电池),和传输路径(导线)组成。

在高速PCB上,PDN同样由电源和传输路径组成。但在高速PCB上,电源和传输路径的形式有很多。

电源的形式有开关电源,LDO,电池,电容,电源-地平面对等。

传输路径有PCB走线,PCB过孔,芯片封装等。

 

将上述部分按照功能类型分类:

开关电源、LDO、电池这些可以成为电压调节模组(VRM),也就是我们俗称的电源。

电容按照此时的功能,称之为去耦电容。电源-地平面对的作用和去耦电容一样,但是由于其特殊性,将其单独列出。

PCB走线和PCB过孔,统一称为PCB

芯片封装一般由器件厂家决定,我们改变不了它的特性,后续忽略不提。

所以,如果按照功能分类,高速PCBPDN主要由如下几个模块组成:VRM、去耦电容、电源-地平面对、PCB组成。

 

但如果按照硬件设计流程的职能划分:

开关电源、LDO、电池、电容这些属于器件,在原理图设计阶段完成,我们称为原理图部分。

电源-地平面对、PCB走线,PCB过孔在布局布线阶段完成,我们称为EDA部分。

所以,如果按照硬件流程看,高速PCBPDN从原理图设计到PCB设计的整个阶段都要考虑,二者缺一不可。

 

PDN成员的作用是什么?

基于我们的研究都是硬货,所以我们按照功能来讲解PDN的重要组成部分:VRM、去耦电容、电源-地平面对、PCB

低频能量提供者---VRM

毋庸置疑,是PDN中的C位,它为负载提供稳定的电流,为负载提供主要能量。目前用的最多的VRM应该是开关电源和LDO

开关电源的主流拓扑有BuckBoost,熟悉电源的伙伴们都知道,二者的结构中,都有个重要的器件---串联的功率电感。功率电感的存在是一把双刃剑,首先,它成就了开关电源,让开关电源在重载情况下,有很高的能量传输效率。但是,功率电感的存在也让开关电源不能提供高频负载电流。因为功率电感的感值一般在uH以上,所以1MHz以上的负载电流会在功率电感上呈现出很大的阻抗,使得开关电源无法为负载提供高频负载电流。

LDO相比开关电源,其频率相对较高,但LDO在负载较大时,损耗太大,不适合为大负载供电。

电池能提供相对较高频率的大电流,但是电池的电压会随着电量的耗尽而下降,电压不稳。

高频能量补充者---去耦电容

正是由于VRM的缺陷,去耦电容当仁不让地稳坐二哥位置。

我们知道高频负载由于频率高,对能量的获取都是瞬时的,所以每个周期抽取的电量很少。正是由于这个特性,电容就彰显出了重要的作用。从电容的公式我们知道:

C=Q/UQ=I*t

所以1uF的电容在电压为1V时,可以提供大约1A持续1us的电流。22uF的电容在电压为1V时,可以提供大约22A持续1us的电流.

1MHz的负载,周期也就是1us左右。

所以,去耦电容虽然存储的能量较少,但是为高频负载补充能量却显得绰绰有余。而且负载频率越高,容值越小的电容即可担此大任。

能量传递者---PCB

即使大哥和二哥为负载补充了全频段的能量,但是能否将能量尽可能多地传递给负载,就要看节奏位---PCB布局和布线了。

作为传输路径,我们在电池灯泡模型中就提到了:DCR小,ESL低。

所以EDA布局布线的原则简单粗暴:粗,大,短,直。

辅助位---电源地平面对

电源-地平面对就像和七仙女谈恋爱,可遇而不可求。

成本的压缩和走线的复杂程度,导致很难保证电源-地平面对是完整的。而如果说到电源-地平面对的作用,实际和去耦电容一样。只不过电源-地平面对是PCB本体搭建的电容。P电容的结构是金属中间夹层介质。而电源-平面对刚好保证了金属平面中间有一层介质。

 

本章重点解释了,PDN的组成和每个角色的功能。我们的关键先生“去耦电容”和“PCB”也正式粉墨登场。经过这么小白的一番介绍后,可千万别问,为什么主角不是VRM?不是电源-地平面对哦。

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