什么是电源分配网络
从功能上来看,如果将单板硬件比作一个人体,那么电源系统就是心血管系统,包括:心脏、大动脉、静脉以及毛细血管等(抱歉,对于心血管系统我只能理解到这些。),它连接着身体的每一个基本单元,源源不断的给每个基本单元提供着能量和氧气,如果发生堵塞导致没有及时送达,就会导致人体宕机。
电源系统是单板中最大且最重要的组成部分,它的健壮性在很大程度上决定了单板的可靠性。
从效果上来看,电源分配网络好比是一家物流公司:需要根据地址将物品从店家送到买家手上;紧急程度由买家决定:如果需求不是很紧急,买家可以选择三通一达;时效性再高一点,就选择顺丰京东;如果要求即时送达,那只能派超级飞侠了(每时每刻,准时送达)。按需选择物流公司或则说按需设计电源分配网络,这是电源分配网络设计的核心。
电源分配网络又称为电源配送网络(PDN),它包括了:电源模块(VRM)到器件焊盘(板级设计),再从封装到芯片(die)管脚(芯片设计),所有电压和返回电流的互连。
我们来具体细分电源分配网络各个部分:1,电源模块(开关电源/LDO)。
2,滤波电容。
3,旁路/去耦电容。
4,过孔。
5,互连。
6,PCB平面电容。
7,封装焊球/引脚。
8,器件封装中的电容、互连、键合线。
9,器件Die内部互连等。
电源分配网络的目的与作用
我们现在来对电源分配网络下一个定义,就是:从电源模块发出到器件内部die上电源/GND管脚经过的所有路径,它是一张覆盖整个单板的大网,在这张大网上挂接了许许多多的器件。
那我们为什么要设计电源分配网络,或则说我们设计电源分配网络目的是什么呢?
1. 提供芯片电源管脚稳定电压:为信号提供稳定的电压参考,避免共路噪声:
1, 判别信号高低电平,取决于器件内部的电源/地的状态,如果由于地弹或电源塌陷导致器件地或电源出现异常,那么必然会导致信号发送/接收异常;
对于器件来说:信号管脚输出或输入高/低电平,参考的是器件内部die管脚上的电源/地,而不是单板甚至是设备的地;
所以必须保证:器件的焊盘与电源/地平面之间,以及不同器件的电源/地管脚之间低阻抗设计,保证参考电位的一致。
2, 如果器件电源和地之间在某一频段是高阻抗,那么在这一频段的电源响应就会变得很差,以至于不能满足器件电源电流需求,导致器件电源跌落;
必须保证器件电源和地之间在所关注的频段内低阻抗路径:在电源及器件端增加旁路、去耦电容,以及电源和地平面层叠靠近。
2. 为单板系统分配电源网络:
1, 电源分配网络与信号网络的区别:每个电压轨(电源电压)只有一个线网(共有网络),覆盖整个单板并挂接很多器件;
一般一个电源会供给板上多个器件使用,而不是一个器件一个电源模块,所以电源是名副其实的1驱多拓扑。
2, 从电源模块到器件die管脚之间的所有路径,每个环节都关系到电源电流是否被及时、完整的送达;
我们要保证每个器件上的电源都被及时、满足规格要求地送达,任何一个器件的电源没有达到要求,那么必然会出问题。
3, 电源分配网络是单板上最大的导电结构,携带最大的电流,也会携带高频噪声,所以可能产生最多的EMI辐射,电源系统是设备EMI辐射的重要来源。
电源系统非常大(回路面积大,辐射大),而且也囊括了所有器件的噪声,所以是EMI的主要关注点。
所以对于单板电源分配网络(板级)来说,主要有3个作用:
1. 保持器件焊盘间的供电电压恒定;
2. 使地弹最小化;
3. 使电磁干扰问题最小化。
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