你的PDN设计指南
关键的外卖
电路板设计上一个好的电源传输网络的必要性。
电路板的PDN如何影响其信号完整性和制造要求。
PCB设计工具中的功能如何帮助您设计一个好的PDN。
太多的插头会在你家里造成一个糟糕的电力输送网络(PDN)。
每年，我的家人都会看电影《圣诞故事》(A Christmas Story)，每当我看到故事中的父亲试图同时插上许多电器和电灯时，我都会感到畏缩。火花、烟雾和停电继续着那句不朽的话:“任何人都不要动——保险丝坏了!”幸运的是，我们今天的家庭通常内置了比40年前更好的电力系统。然而，这一场景有效地提醒了我们在印刷电路板中设计良好的电力传输网络(PDN)的重要性。
尽管我见过一些电路板会产生火花和烟雾在我的时代，一个糟糕的PDN所产生的大多数问题通常都不那么引人注目。然而，它们的破坏性并不小，因为一个设计错误的PDN会导致电路板完全故障的间歇性问题。让我们用这个PDN设计指南来深入研究我们如何设计电路板的功率传输网络的重要性。
PCB上良好的电力传输网络的必要性
电路板上的所有有源电子元件都需要电力才能工作，为此，PCB需要一个设计良好的电力传输网络(PDN)。在过去，PCB上的集成电路器件只有一个电源和地引脚，可以很容易地连接简单宽迹．然后，随着电路密度的增长，将它们与多层板中的电源和地平面连接起来变得更容易。但随着引脚数的增加和集成电路的功率要求变得更加复杂，电路板开始遇到以下一些问题:
电磁干扰(EMI)电路变得越快，它对来自内部和外部来源的EMI就越敏感。防止EMI问题的一种方法是配置电源和地平面，以屏蔽输入和输出的干扰。
地面反弹:当大量数字信号同时处于开关状态时，会产生一种称为同步开关噪声(SSN)或地反弹的效应。这可以在内存或数据总线中看到，如果快速切换导致信号不返回到其参考地电平，它们将在参考地电平之上反弹。这种效应会在电路中产生不良的噪声，可能会产生错误的开关并破坏设备的操作。一个设计良好的PDN可以帮助控制参考地平面。
力量涟漪开关也可能由电源引起，这将在电路中产生噪声或波纹。这些波纹可以在其他电路中表现为串扰，这可能对这些电路中的信号产生不利影响。
随着现代电路的更快的开关速度，集成电路上有更多的电源和接地连接需要管理。在一个球栅阵列(BGA)封装的大型处理器芯片中，可以在不同的参考电平上有数百个电源和接地引脚。这些销也可以拉电流很大来为处理器供电，并确保电源是干净的，没有任何尖峰、波纹或噪音，这需要一个精心设计的PDN。然而，除了提供清洁电力外，PDN还需要完成一些其他重要的电气任务。
过孔可以在地平面上为清晰的信号返回路径创建有效的屏障。
权力与基础的多重角色
虽然看起来成功的PDN设计应该只专注于为其处理器芯片和其他大规模集成电路提供清洁能源，但实际上PDN需要做的事情还有很多。其中一项任务是在地面平面上为高速、敏感的信号提供清晰的返回路径，但有一些潜在的问题需要注意。
用需要提供电力和地面对于高密度部件上如此多的引脚，平面可以被通孔填满，如上图所示。这些在平面上制造了障碍，使得信号返回时很难找到返回源的清晰路径。当这些返回信号四处游荡，试图找到回家的路时，它们会产生噪音，破坏设计的信号完整性。因此，设计师面临的挑战是为所有有源设备提供足够的电力和接地，同时确保返回路径不被阻塞。
另一项任务是为地平面提供微带或带线层的配置控制阻抗高速输电线路布线。通过在两个接地面相邻或之间布线特定宽度的走线，其中它们之间绝缘材料的厚度和介电常数(Dk)被仔细控制，这些走线将在特定的阻抗水平上工作。这将有助于消除来自这些迹线的任何信号反射，并且是控制电路板信号完整性的另一个重要部分。这里的挑战是配置平面，以满足电源传输要求和微带或带状线配置要求。
成功的PDN设计要求多的分布均匀不同的电源和地网电路板上的不同设备。虽然为每个所需电压有一个单独的平面层很方便，但这些网络的数量通常超过了板堆叠中的可用层。为了解决这个问题，PCB设计人员通常会分割平面，这样他们就可以在一个信号平面层上布线多个电源或接地网。然而，挑战在于，虽然分割平面有效地分配了不同的电源和地网，但它也为信号返回路径创建了额外的障碍。因此，PCB设计人员需要设计其分割平面，以均匀地传递所有的电源和接地，同时保留敏感高速信号所需的清晰返回路径。
与创建一个好的PDN相关的所有不同的设计要求，拥有一个好的设计规则和约束管理系统是有帮助的，就像在Allegro PCB Designer中可用的那样。如下图所示，使用约束管理系统，您可以根据您的电源所需的宽度和间距规则设置电源和地网网络的分类．
电路板上一个好的PDN还需要更多的东西。接下来，我们将看看PCB PDN设计人员需要了解的一些制造要求。
利用设计规则和约束管理器来设置电网的路由宽度。
PCB制造:PDN设计指南的另一个方面
虽然一个好的PDN设计可能需要使用非对称的板层堆叠，但一些制造商会对这种配置有问题。PCB制版商通常比较喜欢采用最上层单板层堆叠要在底层镜像，以创建对称的层堆叠。由于制造过程中的温度和高压，不均匀的层堆积结合在一起会导致板的翘曲。板子越大，这种影响就越明显。电路板翘曲会对用于长、高速传输线布线的薄金属痕迹以及焊点施加压力。
为了避免这些问题，电路板设计人员应该考虑以下几点:
如果可能的话，在不影响信号完整性的情况下，保持电源层和接地层在单板层堆叠中对称。
确保预浸料和核心层在整个板层堆叠的厚度上也是对称的。
尽量保持最密集的铜板层在堆叠的中心。同样，这必须与良好的信号完整性实践相结合。
对于不同的平面层使用相同的铜重量。
考虑在电路板上没有太多金属的区域添加金属填充(铜填充)。
最重要的是，在您承诺之前，请与您的PCB制造商就建议的电路板层堆叠进行检查，以确保他们能够制造它。
除了我们已经讨论过的关于良好PDN指南的内容之外，不要忘记在印刷电路板上处理大面积金属的一些基本规则。首先，在组件上使用散热垫来帮助焊接。这些大面积的金属将充当一个巨大的散热器，并将热量和焊料一起带走。其次，对于焊接到外部平面的表面安装部件，也不要忘记管理它们的连接。同样，金属的固体区域将充当散热器并引起热不平衡。这种不平衡可能会导致小的双针被动部件在焊料回流过程中站起来，就像墓碑一样。
为了在电路板上设计一个好的PDN，有很多东西需要了解，幸运的是，在您的设计工具中有很多帮助。
Cadence Allegro中的IR Drop Vision等工具可以帮助规划出有效的PDN。
利用PCB设计工具来创建最好的PCB PDN
PCB设计工具中有许多不同的功能，可以帮助您为电路板设计创建良好的PDN。Cadence的一个这样的工具是在Allegro PCB Designer中可用的IR Drop Vision集成分析工具。该工具可让您实时查看PCB设计的电源完整性状态。它会显示你的引脚没有收到足够的电压在电网上，这样你就可以立即纠正你的布局。
连同强大的形状编辑功能，配置您的电源和地平面的方式，你需要他们，再加上先进的约束管理器， Allegro PCB Designer为您提供了一个真正强大的平台来创建一个性能良好的PDN。通过查看这篇文章，您可以找到关于如何创建有效PDN的更多信息电子书．
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．