管理PDN中的阻抗

2020年4月22日

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了解PDN阻抗和需要控制什么
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在PSpice中发现正确模拟和建模PDN阻抗的方法

这个新板需要一个精心设计的PDN

PDN阻抗是高速pcb中的关键概念之一，但许多设计人员将其视为事后考虑。对于运行在5v或3.3 V的组件，如果在关键组件上使用相邻的平面层和一些去耦/旁路电容器，通常就可以了。对于具有快速边缘速率的高级设计，并且当大电流被引入PDN时，您需要仔细设计PDN以抑制大瞬态。

使用PSpice中的模拟工具集，您可以仔细分析并将PDN阻抗谱调到系统相关带宽内的目标值。这是你在频域和时域怎么做的。使用正确的仿真工具，您可以直接从电路原理图中获取信息，并为PDN阻抗创建有用的模型。

什么是PDN阻抗管理?

目标PDN阻抗设置整个PDN的峰值阻抗值的上限。实际的PDN阻抗将决定电源总线上任何瞬态纹波的大小，这将转化为来自高速IC的输出信号的抖动。当IC开关时，它将从电源吸取一些电流，这些电流将作为脉冲波形通过PDN传播。PDN和任何电容器中的寄生将提供一些电抗，从而在PDN中产生瞬态响应。PDN阻抗管理的目标是使任何瞬态波形尽可能小。

PDN上任何瞬态纹波波形的大小都是PDN阻抗和作为IC开关绘制的瞬态电流的函数。由于阻抗是频率的函数，您需要确保整个相关信号带宽的整个阻抗曲线低于某个目标值。两者之间的关系是源自欧姆定律下面将更详细地解释。

您可以在我们可用的电子书中了解更多关于一般PDN管理，以及电源完整性，直流和交流功率损耗，去耦电容放置和解决电压纹波的细节PDN:赋予你的董事会生命．PDN管理和模拟不仅是PSpice的专长，而且是PSpice的优先级，并且肯定会在任何可能困扰您的PDN设计的问题中找到强大的解决方案。

计算PDN阻抗目标

目标PDN阻抗在整个信号带宽中设置峰值阻抗值的上限。由于元件电源电压随时间下降，因此允许电源电压纹波值也下降。这些纹波值通常以百分比的形式指定，您需要将此纹波百分比转换为阻抗目标。这可以用下式计算:

目标PDN阻抗方程

请注意，在上面的方程中，纹波百分比表示为峰值到峰值的值，而不是纹波振幅。这是因为纹波不是纯正弦的，所以用振幅来表示纹波没有多大意义。上述方程的一个版本使用了纹波振幅(假设是正弦纹波波形)，并在分母中放置了50%的因子。注意，用两个方程计算的目标阻抗值是相等的。

例如，假设我们使用的组件具有3.3 V的电源电压和2%的允许纹波(峰对峰)。如果集成电路在开关过程中能吸收的最大峰值电流为0.5 A，则目标阻抗为132 mOhm。注意，这是一个幅度;PDN可以具有电阻性和无功性成分，它们将共同决定任何纹波波形的大小。

当您工作在PDN上的多个设备同时切换的情况下，您需要考虑在任何给定时刻可以抽取的总电流。由于在任何时刻绘制的总电流将大于单个IC绘制的电流，这将目标PDN阻抗推到较低的水平。

电路仿真中PDN元件的检验

电路仿真是开始检查和管理PDN阻抗的第一个地方。由于阻抗随频率变化，管理PDN阻抗的目标是计算从直流到非常高的频率的阻抗谱。PDN阻抗应涵盖组件的相关信号带宽。这需要在电路模拟中考虑以下几点:

电容器self-resonances:任何元件上的去耦/旁路电容器都有一些self-resonance频率由于其等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。通过查看数据表，您可以从所需的电容器中获得典型值。你的数据表通常也会显示自共振频率。
Interplane电容:你的电路板堆叠将决定你的PDN中电源和地平面之间的电容。这是一种寄生效应，尽管需要确保高速PCB中的PDN有足够的去耦。通过利用堆叠中的天然电容，可以减少对离散解耦/旁路电容器的依赖。典型值为~0.5 pF/sq。mm为标准厚度的6层PCB。

重要的是要理解，有一些事情电路模拟不会告诉你。而电容中的寄生(ESR和ESL)应该包括在内，你不能直接解释平面间电容或其他寄生。相反，您需要在原理图中将任何寄生作为等效电路元件来考虑。这需要估计平面电容、通电感和平面回路电感。

PDN的结构和对阻抗有贡献的寄生。［图片来源］

在PSpice中建立PDN阻抗模型作为电路仿真

让我们看一个有两个电容的PDN例子。下面的表格说明了这个例子PDN中所有相关的阻抗元素。原理图包括两个电容器(假设SMD)在一个铜填充的10厘米乘5厘米6层板，1盎司/平方英尺。英尺铜重量。注意，铜的重量决定了平面截面上的R值，而平面面积和板厚决定了平面间电容。

平面电感可以用平面横截面近似为0.5 nH，形成输出的两个通孔的电感设置为每个1nh。电容器的ESR和ESL值可以从数据表中确定。

	R	C	l
C1	0.75欧姆	100年nF	10 nH
C2	2.9欧姆	22 nF	15 nH
飞机	0.5莫姆	2.5 nF	2.5 nH
轨迹(L1和L2)	0.5莫姆	N/A	5 nH

虽然可以在时域直接检查纹波波形，但确定PDN阻抗的更好方法是使用频率扫描。在这里，我们希望使用Capture CIS中的Modeling Application实用程序将模拟元素放置在原理图中。注意，您可以使用PSpice模型库在这些模拟中，如果你想使用特定的组件。下面的窗口显示了在Capture CIS中定义的正弦源。

在Capture CIS中定义正弦源

两个电容器和平面的等效串联LC电路可以使用PSpice建模应用程序面板中的电容器条目定义。从这里，您可以输入C1和C2的真实电容、ESL和ESR值。你也可以输入温度系数和电压相关的电容系数(都是二阶的)。用于确定PDN阻抗的原理图如下所示。

PDN模型示意图

要运行频率扫描，请创建一个新的模拟配置文件并定义扫描参数。在这里，您可以设置频率扫描范围，以及是否要使用对数或线性刻度。运行模拟后，PSpice A/D将自动打开，您将看到一个空白图形。现在可以开始向图形添加跟踪了。在这里，我们想要计算整个PDN在信号带宽上的等效阻抗。对于1ns的信号，可以取350mhz的膝盖频率作为带边。该带宽内的阻抗谱如下所示。