管理PDN中的阻抗

2020年4月22日

关键外卖:

了解PDN阻抗和它需要什么来控制
了解不同软件工具可以为您的PDN设计过程提供的实用程序
探索在PSpice中正确模拟和建模PDN阻抗的方法

这块新板需要一个精心设计的PDN

PDN阻抗是高速pcb中的关键概念之一，但许多设计人员将其作为事后考虑。对于运行在5v或3.3 V的组件，如果在关键组件上使用相邻的平面层和一些去耦/旁路电容器，通常会很好。对于运行在快速边缘速率下的高级设计，当大电流进入PDN时，您需要仔细设计PDN以抑制大瞬态。

使用PSpice中的一组仿真工具，您可以仔细分析并将PDN阻抗谱调整到系统相关带宽范围内的目标值。这是如何在频域和时域中做到的。使用正确的仿真工具集，您可以直接从电路原理图中获取信息，并为PDN阻抗创建有用的模型。

什么是PDN阻抗管理?

目标PDN阻抗在整个PDN中设置峰值阻抗值的上限。实际的PDN阻抗将决定功率总线上任何瞬态纹波波形的幅度，这将转化为高速IC输出信号上的抖动。当IC开关时，它将从电源吸取一些电流，这些电流将作为脉冲波形通过PDN传播。寄生在PDN和任何电容器将提供一些电抗，这在PDN中产生瞬态响应。PDN阻抗管理的目标是使任何暂态波形尽可能小。

PDN上任何瞬态纹波波形的大小是PDN阻抗和作为IC开关绘制的瞬态电流的函数。由于阻抗是频率的函数，因此需要确保整个相关信号带宽的整个阻抗曲线低于某个目标值。这两者之间的关系是由欧姆定律推导而来，下面将更详细地解释。

您可以在我们可用的电子书中了解有关一般PDN管理的更多信息，以及电源完整性，直流和交流功率损耗，去耦电容器放置和解决电压纹波的细节PDN:赋予你的董事会生命。PDN管理和仿真不仅是PSpice的专业，而且是PSpice的优先事项，并且肯定会在可能困扰您的PDN设计的任何问题中找到强有力的解决方案。

计算你的PDN阻抗目标

目标PDN阻抗设置了整个信号带宽的峰值阻抗值的上限。由于组件供电电压随时间下降，因此允许供电电压纹波值。这些纹波值通常指定为百分比，您需要将此纹波百分比转换为阻抗目标。这可以用下式计算:

目标PDN阻抗方程

请注意，在上述方程中，纹波百分比表示为峰间值，而不是纹波幅度。这是因为纹波不是纯粹的正弦，所以用幅度来表示纹波没有多大意义。上述方程的一个版本使用波纹幅度(假设是正弦波纹波形)，并将50%的因子放在分母上。注意，用两个方程计算的目标阻抗值是相等的。

举个例子，假设我们使用一个3.3 V供电电压和2%允许纹波(峰对峰)的组件。如果集成电路在开关过程中所能吸收的最大峰值电流为0.5 A，则目标阻抗为132 mOhm。注意，这是一个大小;PDN可以有电阻和无功元件，它们将共同决定任何纹波波形的幅度。

当您在PDN上的多个设备同时切换的情况下工作时，您需要考虑在任何给定时刻可以抽出的总电流。由于在任何时刻产生的总电流将大于单个IC产生的电流，这将把目标PDN阻抗推到较低的水平。

电路仿真中要检查的PDN元件

电路仿真是检查和管理PDN阻抗的第一步。由于阻抗随频率变化，管理PDN阻抗的目标是计算从直流到非常高频率的阻抗谱。PDN阻抗应覆盖组件的相关信号带宽。这需要在电路仿真中考虑以下几点:

电容器self-resonances你的去耦/旁路电容器上的任何组件都有一些self-resonance频率由于其等效串联电阻(ESR)和等效串联电感(ESL)。您可以通过查看数据表获得所需电容器的典型值。你的数据表通常也会显示自共振频率。
Interplane电容:您的电路板堆叠将决定PDN中电源和地平面之间的电容。这是一种寄生效应，尽管确保高速PCB中的PDN具有足够的去耦是必要的。通过利用堆叠中的自然电容，您可以减少对分立去耦/旁路电容器的依赖。典型值为~0.5 pF/sq。mm为标准厚度6层PCB。

重要的是要明白，有一些事情电路模拟不会告诉你。而寄生在电容器中(ESR和ESL)应该始终包括在内，你不能直接解释平面间电容或其他寄生。相反，您需要在原理图中将任何寄生作为等效电路元件来考虑。这需要估计平面电容、通感和平面环路电感。

PDN的结构和产生阻抗的寄生物。［图片来源]

在PSpice中建立PDN阻抗模型作为电路仿真

让我们看一个带有两个电容的PDN示例。下表说明了这个示例PDN中所有相关的阻抗元素。原理图包括两个电容器(假设SMD)在一个铜填充10厘米乘5厘米6层板1盎司/平方。英尺铜重量。注意，铜的重量决定了平面截面上的R值，而平面面积和板厚决定了面间电容。

平面电感可以利用平面截面近似为0.5 nH，形成输出的两个过孔的电感分别设置为1 nH。电容器的ESR和ESL值可以从数据表中确定。

	R	C	l
C1	0.75欧姆	100年nF	10 nH
C2	2.9欧姆	22 nF	15 nH
飞机	0.5莫姆	2.5 nF	2.5 nH
走线(L1和L2)	0.5莫姆	N/A	5 nH

虽然您可以直接在时域中检查纹波波形，但确定PDN阻抗的更好方法是使用扫频。在这里，我们希望使用Capture CIS中的建模应用程序实用程序将仿真元素放置在示意图中。请注意，您可以使用PSpice模型库在这些模拟中，如果你想使用特定的组件。下面的窗口显示了在Capture CIS中定义的正弦源。

在Capture CIS中定义正弦源

两个电容器和平面的等效串联LC电路可以使用PSpice建模应用面板中的电容器条目来定义。从这里，您可以输入C1和C2的真实电容、ESL和ESR值。您还可以输入温度系数和电压相关电容系数(两者都高达二阶)。用于确定PDN阻抗的原理图如下所示。

模型PDN的原理图

要运行频率扫描，请创建一个新的模拟配置文件并定义扫描参数。在这里，您可以设置频率扫描范围以及是否要使用对数或线性标度。一旦你运行模拟，PSpice A/D将自动打开，你会看到一个空白的图形。现在可以开始向图中添加轨迹了。在这里，我们要计算整个PDN在整个信号带宽中的等效阻抗。对于1ns的信号，可以取350mhz的膝频作为频带边缘。该带宽下的阻抗谱如下所示。