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技術(shù)專題
電路設(shè)計(jì)PDN管理阻抗
PDN阻抗是高速PCB中的關(guān)鍵概念之一，但許多電路設(shè)計(jì)人員將其保留為事后考慮。對于以5 V或3.3 V運(yùn)行的組件，如果在關(guān)鍵組件上使用相鄰的平面層和幾個(gè)去耦/旁路電容器，通常會很好。對于以快速邊沿速率運(yùn)行的設(shè)計(jì)，以及在PDN中吸收大電流時(shí)，您需要仔細(xì)設(shè)計(jì)PDN以抑制大的瞬變。
什么是PDN阻抗管理？
目標(biāo)PDN阻抗為整個(gè)PDN中的峰值阻抗值設(shè)置了上限。實(shí)際的PDN阻抗將決定電源總線上任何瞬態(tài)紋波波形的幅度，這將轉(zhuǎn)化為高速IC的輸出信號上的抖動(dòng)。當(dāng)IC切換時(shí)，它將從電源汲取一些電流，該電流將作為脈沖波形傳播通過PDN。PDN中的寄生電容和任何電容器都會提供一定的電抗，從而在PDN中產(chǎn)生瞬態(tài)響應(yīng)。PDN阻抗管理的目標(biāo)是使任何瞬態(tài)波形都盡可能小。
PDN上任何瞬態(tài)紋波波形的大小都是PDN阻抗和IC切換時(shí)汲取的瞬態(tài)電流的函數(shù)。由于阻抗是頻率的函數(shù)，因此需要確保整個(gè)相關(guān)信號帶寬內(nèi)的整個(gè)阻抗曲線都低于某個(gè)目標(biāo)值。兩者之間的關(guān)系源自歐姆定律
計(jì)算您的PDN阻抗目標(biāo)
目標(biāo)PDN阻抗會在整個(gè)信號帶寬內(nèi)設(shè)置峰值阻抗值的上限。由于組件的電源電壓隨時(shí)間下降，因此允許的電源電壓紋波值也隨之降低。這些紋波值通常以百分比形式指定，您需要將該紋波百分比轉(zhuǎn)換為阻抗目標(biāo)。可以使用以下公式計(jì)算：
目標(biāo)PDN阻抗方程式
注意，在上式中，波紋百分比表示為峰峰值，而不是波紋幅度。這是因?yàn)榧y波不是純粹的正弦波，因此就振幅而言寫紋波沒有多大意義。上式的一種形式使用紋波幅度（假設(shè)正弦紋波波形），并且分母中放置了50％的因數(shù)。注意，用兩個(gè)方程式計(jì)算的目標(biāo)阻抗值相等。
例如，假設(shè)我們使用的電源電壓為3.3 V，允許的紋波為2％（峰峰值）。如果集成電路在開關(guān)期間可吸收的最大峰值電流為0.5 A，則目標(biāo)阻抗為132 mOhm。注意，這是一個(gè)數(shù)量級；PDN可以具有電阻性和電抗性分量，這些分量將共同確定任何紋波波形的幅度。
當(dāng)您在PDN上的多個(gè)設(shè)備同時(shí)切換的情況下工作時(shí)，您需要考慮在任何給定時(shí)刻可以汲取的總電流。由于在任何時(shí)刻汲取的總電流都將大于單個(gè)IC汲取的電流，因此這會將目標(biāo)PDN阻抗推至更低的水平。
在電路仿真中檢查的PDN元素
電路仿真是開始檢查和管理PDN阻抗的第一個(gè)地方。由于阻抗隨頻率變化，因此管理PDN阻抗的目標(biāo)是計(jì)算從DC到非常高的頻率的阻抗譜。PDN阻抗應(yīng)覆蓋組件的相關(guān)信號帶寬。這需要在電路仿真中考慮以下幾點(diǎn)：
電容器自諧振：由于其等效串聯(lián)電阻（ESR）和等效串聯(lián)電感（ESL），任何組件上的去耦/旁路電容器都具有一定的自諧振頻率。您可以通過查看數(shù)據(jù)表從所需的電容器中獲得典型值。您的數(shù)據(jù)表通常還會顯示自諧振頻率。
平面間電容：您的電路板疊層將確定PDN中電源層和接地層之間的電容。盡管有必要確保高速PCB中的PDN具有足夠的去耦，但這是一種寄生效應(yīng)。通過利用堆疊中的自然電容，可以減少對分立去耦/旁路電容器的依賴。典型值為?0.5 pF / sq。mm為標(biāo)準(zhǔn)厚度的6層PCB。
重要的是要了解電路仿真不會告訴您某些事情。盡管應(yīng)始終包括電容器（ESR和ESL）中的寄生效應(yīng)，但您不能直接考慮平面間電容或其他寄生效應(yīng)。取而代之的是，您需要在原理圖中將任何寄生效應(yīng)都視為等效電路元件。這需要通過電感和平面環(huán)路電感估算平面電容。