2000字原创总结,PCB走线基础(一):电源完整性与PDN设计

▼关注公众号:工程师看海▼   大家好,我是工程师看海,原创文章感谢点赞分享!
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。
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。
在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。
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。
我们再来看公式△v=△i*z,简单变形得到下面公式
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。
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。
如果看到这里,请点赞、收藏、分享三连!
限时免费扫码进群,交流更多行业技术


线性驱动系统研发生产企业凯迪股份发布2022第一季度报告
微软取消2020年发布的双屏幕Windows 10X设备
工控机维修_工控机的usb口用不了
华为、中兴全球范围内推进5G预商用
关于电源产品投标时标书文件的撰写方法
2000字原创总结,PCB走线基础(一):电源完整性与PDN设计
“5G引领”时代到来,合作方能共赢5G未来
什么品牌的蓝牙耳机比较好,蓝牙耳机性价比的排行榜
便携式水质测定仪器可以检测什么
扩展范围温度检测IC
澳大利亚议员:政府不要批准购买华为和中兴通讯的5G网络设备
又一打卡圣地!华为授权智能无人售货店明日正式亮相武汉光谷
开展人工智能教育有什么好处
电磁耦合式混合动力电动车辆动力合成箱测控平台
圣诞送什么游戏蓝牙耳机给男友?吃鸡低延迟的游戏蓝牙分享
用单片机和EDA协同设计温度采集系统
走进这个人工智能活动室,体验新泾六村居民的未来生活
未来汽车发展蓝图:会飞的3D打印汽车
利用人工智能来预测过敏症状何时可能出现
3D视觉检测在生产流水线中的应用