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PCB走线基础(一):电源完整性与PDN设计

工程师看海 来源:工程师看海 作者:工程师看海 2023-04-18 12:07 次阅读

原文来自微信公众号:工程师看海

SI(信号完整性)研究的是信号的波形质量,而PI电源完整性)研究的是电源波形质量, PI研究的对象是PDN(Power Distribution Network,电源分配网络),它是从更加系统的角度来研究电源问题,消除或缓解电源噪声,满足负载对不同频率电流的需求,为负载提供干净、稳定、可靠的电源,和SI一样,PI也是PCB工程师的基本要求之一,拉线拉的好不好,PDN是重要考核方向之一。

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前文有详细介绍信号完整性,本节是介绍电源完整性,二者有什么差异呢?SI的分析基础是传输线,而PI的分析基础是传输平面,SI的常见整改方法有修改走线宽度、长度、参考层,而PI的整改方法有修改电源平面/地平面的走线、优化匹配电容器值、电容数量或安装方式等。

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手机基带硬件设计中,或者其他电路系统中,PDN应该是最复杂的互联结构,我也建议新手从电源开始,这里的电源包含两个方面,第一个方面是电源结构基础,包括BUCK、LDO等电源架构,以前的文章已经有详细介绍,通过电源树(power tree)可以基本了解手机上各模块的电源需求,以书籍《从器件认知到手机基带电路设计》的5.3 power path章节中的电源结构为例,整理得到下图的power tree。

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注意:图中的数据只是示例,具体还是要以实际电路为准,从上面的电源树中,就可以挖掘出很多信息,比如对功耗敏感的LDO,只有U5和U6效率可以,其他LDO效率都很低,这就需要再优化电源结构,提供电源利用率,还有其他信息可以挖掘,前文已经有介绍,这里不再赘述。

第二个方面便是PDN,PDN可以保证整个系统工作的有效性,避免负载在复杂工作条件下,电压波动超标,导致系统异常,由此方能完成从电源源端到互联链路最终到负载的完整设计,深刻了解电源后会让你对手机整体设计有个总的印象,会对整个硬件系统有更加深刻的认识,往后做充电、音频、屏幕相机、传感器,要从容的多。

上述两个方面,前者是电源工程师的重点,后者是电源完整性工程师的重点,相比于电源工程师,PDN更关注电源路径及终端,PDN链路起始于电源模块VRM(voltage regulator model)包括路上的PCB走线、电容、过孔, package和Die电容等,链路纷繁复杂,需要以系统性角度来分析PDN问题,并优化PDN,最终达到为芯片提供稳定干净的电源的目的。

我们在设计PDN时,关注直流和交流两部分。

直流部分即△V=△I*R,从VRM到IC是有串联电阻存在的,通过直流电时就会产生压降,比如1A的电流通从VRM到达负载,线路电阻是10mΩ的的话,就会产生1*0.01=0.01V的压降,这个压降就是常说的IR drop,负载电流不是一个固定值,是不断在变化的,因此IR drop也是一个变化值,比如当负载在2A工作时,那么2*0.01=0.02V,就会产生0.02V的压降,这和前文中介绍LDO的走线情况很像。

但是负载不会稳定的工作在一个电流值,比如玩游戏时,CPU会进行各种复杂的运算,GPU会进行复杂的渲染,这些芯片内部的开关都在高速工作,使得其从电源抽取的电流变的很复杂,分析这复杂的时变电流,就不能用电阻了,就需要引入和时间和频率相关的参数,即阻抗Z(阻抗=电阻+容抗+感抗),电压的波动是由电流的波动引起的。

我们再回到经典的计算公式△V=△I*R,现在稍微改变一下,那么就变成了△V=△I*Z,R是常数与频率无关,而Z就与频率有关了,△V是电流改变时引起的电压变化量,如果△V太大了,超出了负载允许的电压波动,那就是危险的事情了,通常负载能容忍的电压波动是典型值的5%或3%(具体以实际负载的手册为准),因此电压波动就避免超过这5%或3%。比如下图中,负载需要0.75V的电压,假设负载最大能容忍3%的电压波动,即最大能接受0.75*0.03=0.0225V的电压波动,而实际电压波动仅有0.015V,这就满足负载的需求。

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我们再来看公式△V=△I*Z,简单变形得到下面公式

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那么只要我们实际电路的PDN阻抗Z足够小,Z小到一定程度后,电流波动引起的电压波动(△I*Z)就会小于△Vmax,那么此时的阻抗就是目标阻抗Ztarget,所以我们设计PDN的原理就是通过优化链路上的阻抗Z,使它低于目标阻抗Ztarget,这样就保证电压可以满足负载的需求了,简言之,就是通过约束阻抗来约束电源波动,我需要知道目标阻抗,并且要知道线路电容上那些电容的具体型号,而且还需要精准的仿真,才能得到可靠的设计。

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比如上图就是阻抗频率曲线,如果负载工作频率单一,只以一个固定的频率工作,假设工作电流是一个单一频率的正弦电流,那么阻抗优化就变的简单了,只要这个频率的阻抗低于目标阻抗就行,但是实际情况很复杂,我们不知道复杂的具体工作频率,所以为了保险起见,我们控制的是一定频段内的阻抗,而不是直流或单一频率的阻抗,这看起来是一种过设计,但是确实非常安全的设计。蓝色曲线就是我们的目标阻抗,我们要做的就是优化这一频段内PDN阻抗(Feffective频率内),使得实际红色阻抗在负载要求的频带内低于目标蓝色阻抗。

PDN的基本概念和原理就先介绍到这里,下一节介绍相关PDN优化策略,用于指导实际PCB布局布线和电容器件的选型优化。

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原文来自微信公众号:工程师看海

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    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------组件选择和放置准则

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------组件选择和放置准则1.所有连接器应位于板的个边缘或个角。在大多数设计中,连接电缆的连接器可以构成
    发表于 01-06 12:20 2次下载
    <b>PCB</b> <b>PDN</b> design guidelines (<b>PCB</b><b>电源</b><b>完整性</b>设计指导) ------组件选择和放置准则

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB平面图指南

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB平面图指南在开始进行PCB布局之前,必须注意正确放置组件。 较低等级的模拟,高速数字和噪声电路
    发表于 01-06 12:22 4次下载
    <b>PCB</b> <b>PDN</b> design guidelines (<b>PCB</b><b>电源</b><b>完整性</b>设计指导) ------<b>PCB</b>平面图指南

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB去耦准则

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB平面图指南、 不带电源平面1.为每个有源设备至少提供个“本地”去耦电容器,并为板上分布的每个
    发表于 01-06 12:25 8次下载
    <b>PCB</b> <b>PDN</b> design guidelines (<b>PCB</b><b>电源</b><b>完整性</b>设计指导) ------<b>PCB</b>去耦准则

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB布局指南

    PCB PDN design guidelines (PCB电源完整性设计指导) ------PCB布局指南1.携带高速数字信号或时钟的线长度应最小化。高速数字信号和时钟通常是最强的噪声源。这些
    发表于 01-06 12:27 7次下载
    <b>PCB</b> <b>PDN</b> design guidelines (<b>PCB</b><b>电源</b><b>完整性</b>设计指导) ------<b>PCB</b>布局指南

    大话电源完整性

    和朋友聊天时,经常会有人问我你现在从事什么工作呀?当我说我是从事电源完整性(Power Integrity)和信号完整性(Signal Integrity)性能测试方面的工作的时候,对方总是脸蒙B
    发表于 01-07 15:33 10次下载
    大话<b>电源</b><b>完整性</b>

    高速PCB电源完整性的设计

    随着PCB设计复杂度的逐步提高,对于信号完整性的分析除了反射,串扰以及EMI之外,稳定可靠的电源供应也成为设计者们重点研究的方向之。尤其当开关器件数目不断增加,核心电压
    发表于 10-27 11:29 4572次阅读
    高速<b>PCB</b>中<b>电源</b><b>完整性</b>的设计

    高速电路信号完整性分析与设计—电源完整性分析

    在电路设计中,设计好个高质量的高速PCB板,应该从信号完整性(SISignal Integrity)和电源完整性 (PIPower Integrity )两个方面来考虑。尽管从信号完整性上表现出来的结果较为直接,但是信
    发表于 05-29 13:51 2210次阅读

    信号完整性电源完整性该如何取舍?

    电源完整性中,重点是确保为驱动器和接收器提供足够的电流以发送和接收1和0。因此,电源完整性可能会被认为是信号完整性个组成部分。实际上,它们都是关于数字电路正确模拟操作的分析。
    的头像 发表于 12-12 13:44 9553次阅读

    PCB信号完整性搞不定?教你高速信号跳过PCB线的方法

    每次串行数据速率提高,其都会暴露出掩盖在低速下的问题。许多这些问题是因为PCB线、过孔和连接器中发生损耗引起的信号完整性下降而造成的。
    发表于 02-05 19:16 4363次阅读
    <b>PCB</b>信号<b>完整性</b>搞不定?教你高速信号跳过<b>PCB</b><b>走</b><b>线</b>的方法

    获得信号完整性的测量技术

    TDR(时域反射)测量可以为根电缆或 PCB(印制电路板)线的信号完整性提供直接描述,以及分析 IC 的性能与故障。TDR 测量沿电缆或 PCB 线发送个快速脉冲,并显示返回的反射,用于表示阻抗的变化。
    发表于 02-08 20:01 1315次阅读

    完整资料:PCB设计之信号完整性,从线、信号反射到特性阻抗

    信号完整性():PCB线中途容负载反射 很多时候,PCB线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电容,必然对信号造成影响。线中途的电容对信号的影响要从发射端和接受端
    发表于 03-09 18:29 910次阅读
    <b>完整</b>资料:<b>PCB</b>设计之信号<b>完整性</b>,从<b>走</b><b>线</b>、信号反射到特性阻抗

    PCB信号完整性有哪几步_如何确保PCB设计信号完整性

    本文首先介绍了PCB信号完整性的问题,其次阐述了PCB信号完整性的步骤,最后介绍了如何确保PCB设计信号完整性的方法。
    发表于 05-23 15:08 1.1w次阅读

    电源完整性仿真,对设计做出决定性优化

    PCB(印刷电路板)上的芯片提供电能不再是种简单的工作。过去,通过细线将IC连接到电源和地就行了,这些线占不了多少空间。当芯片速度升高时,就要用低阻抗电源为它们供电,如用PCB上的电源
    发表于 06-13 09:18 1297次阅读
    <b>电源</b><b>完整性</b>仿真,对设计做出决定性优化

    高速PCB信号完整性电源完整性仿真技术研讨会

    的时候给大家分享了份文档,下载量达到了1000来次,正好,下周我们给大家做次关于高速PCB仿真技术的分享,包括电源完整性和信号完整性、过孔仿真。
    的头像 发表于 09-12 16:52 5374次阅读

    PCB线中途容负载反射及信号完整性解读

    PCB线中途容负载反射很多时候,PCB线中途会经过过孔、测试点焊盘、短的stub线等,都存在寄生电
    的头像 发表于 07-02 11:05 6681次阅读

    如何克服高速PCB设计中信号完整性问题?

    PCB基板:PCB构造期间使用的基板材料会导致信号完整性问题。每个PCB基板具有不同的相对介电常数(εr )值。它决定了将信号线视为传输线的长度,当然,在这种情况下,设计人员需要注意信号完整性威胁。
    的头像 发表于 09-17 15:48 2119次阅读

    如何使用您的PCB线宽度来改善信号完整性

    )的公差。实际上, PCB 线的宽度和通孔的尺寸会严重影响信号的完整性和电流。为了量化这个概念,让我们仔细研究下信号完整性以及如何通过 PCB 线宽度来控制它。 确切地说,什么是信号完整性? 您可能已经听说过信号完整性
    的头像 发表于 10-10 18:32 1136次阅读

    设计PCB以获得最佳电源完整性

    的操作都很重要,因此它们的优化应该包含在设计目标中。但是在讨论优化电源完整性的方法之前,让我们首先探讨下它对设计的影响。 什么是 PCB 电源完整性? 功率完整性可以定义为确保电气系统及其所有元件具有所需功率的保证,以使
    的头像 发表于 10-10 18:32 1069次阅读

    电源完整性概述及PI测试

    1 电源完整性概述 电源完整性(Power Integrity)简称PI,是确认电源来源、目的端电压以及电流是否符合需求。PI所研究的就是如何为整个系统提供个稳定可靠的电源分配网络(Power
    的头像 发表于 12-06 09:59 1.1w次阅读

    谈谈电源完整性仿真的必要

    电源完整性PI与信号完整性SI的相互影响:从整个仿真领域来看,刚开始大家都把注意力放在信号完整性上,但是实际上电源完整性和信号完整性是相互影响相互制约的。电源、地平面在供电的同时也给信号线提供参考回路,直接决定回流路径,从而影响信号的
    的头像 发表于 12-07 10:14 2527次阅读
    谈谈<b>电源</b><b>完整性</b>仿真的必要<b>性</b>

    电源和信号完整性的分析与测试

    信号完整性(SI)分析集中在发射机、参考时钟、信道和接收机在误码率(BER)方面的性能。电源完整性(PI)侧重于电源分配网络 (PDN) 提供恒定、干净的电源和低阻抗返回路径的技术。SI和PI具有
    发表于 09-03 11:11 968次阅读

    电源完整性设计策略

      电源完整性是指电源波形的质量,研究的是电源分配网络(PDN),并从系统供电网络综合考虑,消除或者减弱噪声对电源的影响。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在运行的范围内,为芯片提供干净稳定
    发表于 07-30 17:20 796次阅读
    <b>电源</b><b>完整性</b>设计策略

    电源完整性设计与测试

    电源完整性是指电源波形的质量,研究的是电源分配网络(PDN)。并从系统供电网络综合考虑,消除 / 降低噪声对电源的影响。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在运行的范围内,为芯片提供干净稳定的电压
    发表于 08-30 16:56 1089次阅读
    <b>电源</b><b>完整性</b>设计与测试

    如何确保PCB设计信号完整性的方法

    本文首先介绍了PCB信号完整性的问题,其次阐述了PCB信号完整性的步骤,最后介绍了如何确保PCB设计信号完整性的方法。
    发表于 12-22 11:53 301次阅读

    信号完整性电源完整性之间的差异分析

    大多数线均可建模为个均匀的二维横截面。该横截面足以计算线的阻抗特性。阻抗将会影响信号线上接收器中的波形形状。最基本的信号完整性分析包括设置电路板叠层(包括适当的介电层厚度),以及查找正确的线宽度,以实现定的线
    发表于 02-16 10:03 146次阅读

    信号完整性的基本定义

    个高速数字信号从IC内部出发 → IC封装(例如键合线和管脚)→ PCB线 → 到达另个IC或者连接器/电缆等的过程中,这些物理材料对信号质量和电源质量的影响,称为信号完整性
    的头像 发表于 03-10 10:41 175次阅读
    信号<b>完整性</b>的基本定义

    电源完整性仿真与EMC分析

    本文以高速系统的信号/电源完整性分析和EMC分析的为基本出发点,着重介绍了高速PCB的信号和电源完整性分析的基本要领和设计准则,通过EDA分析工具实现PCB的建模与参数提取;通过电磁场分析工具完成
    的头像 发表于 03-26 09:34 135次阅读

    信号完整性电源完整性的分析

    现有产品设计对信号完整性很重视,但对于电源完整性的重视好像不够,主要是因为,对于低频应用,开关电源的设计更多靠的是经验,或者功能级仿真来辅助即可
    的头像 发表于 04-10 09:16 196次阅读

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