电源分配网络如何评估
我们知道单板电源分配网络的主要作用是:给器件的电源/地管脚上提供一个恒定的电压轨道,保证器件的正常工作。
1. 假设一种理想情况:器件消耗的是恒定直流电流,由于PCB串联电阻的存在,该电流会在电源分配网络上产生一个直流压降:称为IR压降。
2. 器件实际电流消耗不可能是直流,电源电流会波动。
考虑电源分配网络除了电阻外,还有容性和感性阻抗,所以电源分配网络阻抗其实是与频率相关的阻抗函数:Z(ƒ)。
当波动电流I(ƒ)通过电源分配网络时,会产生电压降:V(ƒ) = I(ƒ) * Z(ƒ)。
举个栗子,我们日常器件/芯片的工作内容,主要就是跟信息/数据的处理、传输、存储等相关,怎样的东西能算是信息/数据呢?
当然,在最基本面来说就是0,1,也就是高低电平;所以器件/芯片在工作时,是需要进行0,1切切换的(即,高低电平变化),必然会导致噪声;而这个噪声是跟频率是相关的。
V(ƒ) = I(ƒ) * Z(ƒ),由于该压降必然会产生在电源分配网络上,所以器件管脚上不可能得到恒定的电压源;我们需要做的是:必须保证在电流波动下产生的电压波动,要小于器件所容许的最大电压噪声。
即,在特定电流波动条件下,要求电源分配网络阻抗必须低于某一最大容许值:目标阻抗。
Vripple > VPDN = I(ƒ) * ZPDN(ƒ),
所以:
ZPDN(ƒ) < Vripple/I(ƒ) = Ztarget(ƒ)。
因此,我们在此引出了单板电源分配网络最重要的一个概念:目标阻抗(Ztarget,电源分配网络所容许的最大阻抗)。
这是单板电源分配网络设计的目标:电源分配网络阻抗(ZPDN)必须小于目标阻抗(Ztarget)才能保证器件的可靠工作。
那如何才能减小电源分配网络阻抗呢?
大致有如下几条电源设计总体原则:
1. 电源和地平面成为相邻的平面层:平面之间介质尽量薄,且让电源平面尽可能靠近单板层叠的表层。(增加平面电容容值,减小过孔电感)
2. 去耦电容焊盘和内层电源/地平面过孔之间尽量使用短且宽表层走线,保证放置在最低回路电感位置。(减小电源走线回路电感)
3. 使用仿真软件选择最佳电容容值及数量,使阻抗曲线低于目标阻抗。
好,我们终于得到了:目标阻抗。
这是电源完整性的核心概念,我们所有的设计都是围绕着目标阻抗,来实现电源分配网络阻抗小于目标阻抗的目的。
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