理解PDN阻抗和稳定的功率传输

关键的外卖

• 所有PCB设计都要求PDN阻抗接近零，以确保稳定的功率传输和低功率损耗。

• PDN阻抗受多种因素的影响，包括各种电路元件的结构和寄生。

• PDN阻抗可以从两个角度进行评估:场求解器和电路模拟器。

这组电容是PDN阻抗的重要组成部分

每个PDN都有阻抗，包括电阻性和电容性成分。与普通电路元件不同，PDN没有特定的公式可用于计算阻抗。这个系统太复杂了，不能用封闭形式的方程来处理。虽然PDN阻抗很难计算，并且不能从大多数PCB设计应用中生成，但在许多数字系统中，确保低PDN阻抗是非常重要的。

尽管您可能直到EMC测试失败或在运行过程中注意到外围设备故障才意识到这一点，但简单的设备可能会出现与高度专门化的快速数字电路相同的电源完整性问题。问题的出现是由于这些系统中信号的上升时间，而不是与时钟频率或直流电阻有关。在验证设计时，最好的设计工具可以帮助您了解平面布置和去耦电容器等因素是如何影响PDN阻抗的。

什么是PDN阻抗?

每个电子系统都有一个PDN，即“电力输送网络”。它基本上是连接到电压和地轨的每个元素，包括电源和地平面的排列，从平面连接到组件组的任何总线，用于电源稳定的去耦电容器，以及在设计中连接或耦合到主电源轨的任何其他铜特性。寄生也构成了PDN的阻抗，例如寄生电容和电感与ic的任何连接。

特别是，有几个寄生元件在决定PDN的阻抗时非常重要:

• 平面电容- PDN中平面层之间的电容。
• 电容器电感-电容器上的引线有一些寄生电感，导致它们有一个self-resonance．
• 迹线电感-为组件带来功率的迹线也为PDN贡献了一些电感。

除了寄生元件外，电容器还用于直流PDN上，通过将高频噪声电流分流到地来帮助稳定电源。不幸的是，电容器并不像你在教科书中发现的理论上完美的电容器那样工作，而且它们具有上面提到的寄生电感。当我们考虑PDN对由电源总线上的负载组件引入系统的电流脉冲的瞬态响应时，这些影响很重要。

对功率稳定性的影响

当PDN被电流脉冲激励时，所产生的瞬态电压响应是使用傅里叶反变换欧姆定律:

根据欧姆定律，我们可以看到，只有在尽可能宽的带宽上最小化PDN阻抗，任何瞬态电压响应才会最小化。

产生的波形可能相当复杂。为什么会有短暂的反应呢?这是因为PDN阻抗非零，在频域具有复杂的谐振结构，如下图所示。

PDN阻抗(左)与电流脉冲引起的电压波动之间的关系

对所有端口的影响

根据基尔霍夫电压定律，由一个元件吸入PDN的电流和在PDN上看到的随后的瞬态电压中断被镜像到PDN上的所有其他端口。特别是，引入PDN的电流被建模为由PDN中的电感产生的电压尖峰。结果是在电源总线上的所有其他端口上都可以看到瞬态电压，从而在PCB的其他区域产生电源稳定性问题。

负载1开关产生的瞬态电压扰动反映到其他负载上

上面的PDN阻抗方程是针对单端口PDN定义的。实际的pdn有多个端口，如上图所示。为了确定真实PDN的阻抗，我们需要一些方法将PDN阻抗与PCB中的物理布局联系起来。

计算PDN阻抗

虽然计算PDN的阻抗听起来很简单，但没有一个基于几何和材料特性的方程可以用来计算PCB中PDN的阻抗。任何PDN的实际结构，即使是具有相邻平面的简单情况，也太复杂了，不能承认不是近近值的封闭形式解。当需要评估设计板并验证有低PDN阻抗时，有两种可用的仿真工具:现场求解器和电路模拟器。

场求解器的作用

场求解器不考虑PDN中寄生的任何电路特性。相反，场求解器在电磁场上施加边界条件并求解麦克斯韦方程直接。从这些结果中，可以计算出PDN结构的z参数矩阵，这将告诉你关于一个可能的多端口PDN的阻抗的所有信息:

• 自阻抗:这也可以称为特征阻抗。这测量了PDN中由于电流吸入同一端口而在端口处看到的功率扰动。
• 传输阻抗:这是定义电流如何引入一个端口在PDN中所有其他端口产生电压扰动的阻抗。

由于真正的PDN在电源总线上有多个输出，PDN阻抗的正确公式是使用z参数的阻抗矩阵:

根据n端口网络的z参数矩阵定义PDN阻抗。对角线项是网络中每个端口的自阻抗，非对角线项是传输阻抗

一个三维电磁场求解器应用直接从PCB布局中获取数据的方法可以用来解决这个问题，并确定上面所示的PDN阻抗矩阵。这种类型的模拟是计算复杂PDN阻抗的最快方法，可能有多个电源总线和分支，但当你需要为PDN设计解耦网络时，它是笨拙的。

电路模拟的作用

由于真实PDN的复杂性质，电路模拟不能解释PDN阻抗计算中的寄生，除非作为等效电路元件放置．但是，您可以模拟由添加到PDN的一系列去耦电容器所产生的阻抗谱，以提供稳定的直流电压。通过在原理图设计工具中内置SPICE模拟引擎，您可以在电容模型中包含寄生电感的电容网络上运行参数扫描。您的目标是扫描不同的值和数量的电容器，以确定电容器的最佳安排，使PDN阻抗最小化。

当需要在设计中计算PDN阻抗并在物理布局中计算瞬态响应时，请使用前端设计软件来自Cadence创建电路原理图和访问仿真工具。的PSpice软件模拟器应用程序包括一系列电路仿真功能，是具有先进SPICE引擎的先进电子产品的理想选择。您将拥有一套完整的工具，用于创建和模拟具有参数扫描、信号完整性模拟等功能的电路。

如果您想了解更多Cadence如何为您提供解决方案，跟我们和我们的专家团队谈谈吧．