搞定电源完整性，不如先研究PDN

 

在现代电子设备的设计中，一个关键的因素是电源完整性。电源完整性不仅影响设备的性能，还直接关系到设备的稳定性和可靠性。作为电子设备的基础，印刷电路板（PCB）的电源完整性设计尤为重要。

电源完整性（Power Integrity，简称PI）是指电源波形的质量，它研究的是电源分配网络（Power Distribution Network，简称PDN）。电源完整性的设计目标是把电源噪声控制在一个很小的容差范围内，实时响应负载对电流的快速变化，从而为芯片提供干净稳定的电压，以及为其他信号提供低阻抗的回流路径。

电源分配网络（PDN）设计

PDN互连作为通常最大的导电结构，承载着主要的电流并可能携带高频噪声，因此，它们有可能成为电磁辐射的主要源头，导致无法通过电磁兼容的测试认证。然而，如果我们能够精巧地设计PDN互连，那么就可以大大减少潜在的EMI问题，为顺利通过EMC测试认证铺平道路。

反之，如果PDN设计不当，可能会导致芯片上的电压轨道产生过多的噪声。这种噪声直接后果可能是比特误码，或者是芯片的时钟频率无法达到预期，进而产生时序错误。

PDN电压噪声容差阻抗设计

为了确保芯片焊盘上的电压变化在可接受范围内，其变动幅度必须小于电压噪声容差，这一容差直接与电流波动产生的纹波有关。因此，为了满足这一要求并确保电源系统的稳定运行，PDN阻抗必须被设计为一个低于特定最大允许值的数值，这个数值我们通常称为目标阻抗。

公式如下

 

其中：

V(ripple)为芯片的电压噪声容差；

V(PDN)为PDN互连的噪声压降；

I(f)为芯片汲取电流的频谱；

Zpdn(f)为从芯片焊盘看过去的PDN阻抗曲线；

Ztarget(f)为PDN允许的最大阻抗；

以其指导准则保持PDN阻抗低于目标阻抗即Zpdn(f)

在PCB设计中，大部分数字电路器件对电源电压的稳定性要求较高，通常要求在正常电压的±5%范围内波动。

公式如下

 

例如：

在正常电源电压为5V的情况下，允许的电压噪声为5%，最大瞬态电流为1A。

其最大电源阻抗为：5V*5%/1A=0.25欧姆。

PDN阻抗频率分段解析

电源分配网络（PDN）的阻抗特性在不同频率范围内受到多个因素的影响。从低频到高频，这些影响因素逐级显现，各个因素在特定的频率范围内起着主导作用。了解这些影响因素，对于优化PDN设计，提高电源稳定性和整体系统性能至关重要。

PCB设计、去耦电容、芯片封装和芯片设计决定了PDN在不同频率的阻抗。

● DC-300KHZ：PCB和VRM；

● 30OKHZ-10MHZ：PCB和去耦电容；

● 10MHZ-100MHZ：去耦电容和芯片封装；

● 100MHZ-1G：芯片封装和芯片设计；

● 1GHZ：只取决于芯片设计。

PDN核心组成要素

● PMIC电源组件：作为电源管理集成电路的核心，负责提供、管理和控制电源。

● PMIC输出电感与电容组合：包括PMIC输出电感、buck电容以及去耦电容，共同确保电源的稳定输出，降低噪声并滤除电源纹波。

● 无源器件与电源网络连接：所有无源器件，如电阻、电感、电容等，与其在电源网络中的连接方式，共同构建完整的电源分配路径。

● PMIC到处理器的电源走线：这些走线是电源分配网络中的关键路径，确保电源准确、高效地送达处理器。

● 处理器到PMIC的地平面：地平面提供了电流的回流路径，确保电源电流的稳定流通，同时起到电磁屏蔽的作用。

调整电源完整性（PI）是硬件工程师在设计电路板时的一项重要任务，它要求既要有细致的观察力，又要有严格的工艺控制。这包括巧妙地选择和放置电容器，确保每个芯片都有适合的电源管理方案。同时，从设计的最早阶段就要考虑好布局，预防未来可能出现的问题。因为稳定的电源供应对电子设备的良好运行至关重要，这体现了工程师的责任重大和技术高超。

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