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                搞定電源完整性,不如先研究PDN

                華秋DFM ? 來(lái)源:華秋DFM ? 作者:華秋DFM ? 2024-06-13 18:16 ? 次閱讀

                在現代電子設備的設計中,一個(gè)關(guān)鍵的因素是電源完整性。電源完整性不僅影響設備的性能,還直接關(guān)系到設備的穩定性和可靠性。作為電子設備的基礎,印刷電路板(PCB)的電源完整性設計尤為重要。

                電源完整性(Power Integrity,簡(jiǎn)稱(chēng)PI)是指電源波形的質(zhì)量,它研究的是電源分配網(wǎng)絡(luò )(Power Distribution Network,簡(jiǎn)稱(chēng)PDN)。電源完整性的設計目標是把電源噪聲控制在一個(gè)很小的容差范圍內,實(shí)時(shí)響應負載對電流的快速變化,從而為芯片提供干凈穩定的電壓,以及為其他信號提供低阻抗的回流路徑。

                電源分配網(wǎng)絡(luò )(PDN)設計

                PDN互連作為通常最大的導電結構,承載著(zhù)主要的電流并可能攜帶高頻噪聲,因此,它們有可能成為電磁輻射的主要源頭,導致無(wú)法通過(guò)電磁兼容的測試認證。然而,如果我們能夠精巧地設計PDN互連,那么就可以大大減少潛在的EMI問(wèn)題,為順利通過(guò)EMC測試認證鋪平道路。

                反之,如果PDN設計不當,可能會(huì )導致芯片上的電壓軌道產(chǎn)生過(guò)多的噪聲。這種噪聲直接后果可能是比特誤碼,或者是芯片的時(shí)鐘頻率無(wú)法達到預期,進(jìn)而產(chǎn)生時(shí)序錯誤。

                3aa65426-2854-11ef-9e8e-92fbcf53809c.png

                PDN電壓噪聲容差阻抗設計

                為了確保芯片焊盤(pán)上的電壓變化在可接受范圍內,其變動(dòng)幅度必須小于電壓噪聲容差,這一容差直接與電流波動(dòng)產(chǎn)生的紋波有關(guān)。因此,為了滿(mǎn)足這一要求并確保電源系統的穩定運行,PDN阻抗必須被設計為一個(gè)低于特定最大允許值的數值,這個(gè)數值我們通常稱(chēng)為目標阻抗。

                公式如下

                3ab70c76-2854-11ef-9e8e-92fbcf53809c.jpg

                其中:

                V(ripple)為芯片的電壓噪聲容差;

                V(PDN)為PDN互連的噪聲壓降;

                I(f)為芯片汲取電流的頻譜;

                Zpdn(f)為從芯片焊盤(pán)看過(guò)去的PDN阻抗曲線(xiàn);

                Ztarget(f)為PDN允許的最大阻抗;

                以其指導準則保持PDN阻抗低于目標阻抗即Zpdn(f)

                PCB設計中,大部分數字電路器件對電源電壓的穩定性要求較高,通常要求在正常電壓的±5%范圍內波動(dòng)。

                公式如下

                3ac0e534-2854-11ef-9e8e-92fbcf53809c.png

                例如:

                在正常電源電壓為5V的情況下,允許的電壓噪聲為5%,最大瞬態(tài)電流為1A。

                其最大電源阻抗為:5V*5%/1A=0.25歐姆。

                PDN阻抗頻率分段解析

                電源分配網(wǎng)絡(luò )(PDN)的阻抗特性在不同頻率范圍內受到多個(gè)因素的影響。從低頻到高頻,這些影響因素逐級顯現,各個(gè)因素在特定的頻率范圍內起著(zhù)主導作用。了解這些影響因素,對于優(yōu)化PDN設計,提高電源穩定性和整體系統性能至關(guān)重要。

                PCB設計、去耦電容、芯片封裝和芯片設計決定了PDN在不同頻率的阻抗。

                DC-300KHZ:PCB和VRM;

                ● 30OKHZ-10MHZ:PCB和去耦電容;

                ● 10MHZ-100MHZ:去耦電容和芯片封裝;

                ● 100MHZ-1G:芯片封裝和芯片設計;

                ● 1GHZ:只取決于芯片設計。

                3ae0728c-2854-11ef-9e8e-92fbcf53809c.png

                PDN核心組成要素

                PMIC電源組件:作為電源管理集成電路的核心,負責提供、管理和控制電源。

                ● PMIC輸出電感與電容組合:包括PMIC輸出電感、buck電容以及去耦電容,共同確保電源的穩定輸出,降低噪聲并濾除電源紋波。

                ●無(wú)源器件與電源網(wǎng)絡(luò )連接:所有無(wú)源器件,如電阻、電感、電容等,與其在電源網(wǎng)絡(luò )中的連接方式,共同構建完整的電源分配路徑。

                ● PMIC到處理器的電源走線(xiàn):這些走線(xiàn)是電源分配網(wǎng)絡(luò )中的關(guān)鍵路徑,確保電源準確、高效地送達處理器。

                ●處理器到PMIC的地平面:地平面提供了電流的回流路徑,確保電源電流的穩定流通,同時(shí)起到電磁屏蔽的作用。

                3b00334c-2854-11ef-9e8e-92fbcf53809c.png

                調整電源完整性(PI)是硬件工程師在設計電路板時(shí)的一項重要任務(wù),它要求既要有細致的觀(guān)察力,又要有嚴格的工藝控制。這包括巧妙地選擇和放置電容器,確保每個(gè)芯片都有適合的電源管理方案。同時(shí),從設計的最早階段就要考慮好布局,預防未來(lái)可能出現的問(wèn)題。因為穩定的電源供應對電子設備的良好運行至關(guān)重要,這體現了工程師的責任重大和技術(shù)高超。

                為應對這一復雜而關(guān)鍵的挑戰,華秋DFM軟件成為了硬件工程師的得力助手。它擁有的電源完整性分析功能可以在設計初期就幫助模擬和評估電路板的電源網(wǎng)絡(luò ),及時(shí)發(fā)現并指出可能的電源噪聲問(wèn)題和缺陷,像是一個(gè)敏銳的指導者。華秋DFM不僅幫助工程師更好地布局電容器,提升電源的純凈度和效率,還能在設計初期預見(jiàn)并解決可能影響系統穩定性的電源波動(dòng)問(wèn)題。這樣一來(lái),華秋DFM不僅助力工程師克服電源完整性設計的難題,還加速了產(chǎn)品開(kāi)發(fā)流程,提升了產(chǎn)品質(zhì)量,為硬件設計領(lǐng)域帶來(lái)了創(chuàng )新和智慧的提升。

                華秋DFM軟件是國內首款免費PCB可制造性和裝配分析軟件,擁有500萬(wàn)+元件庫,可輕松高效完成裝配分析。其PCB裸板的分析功能,開(kāi)發(fā)了19大項,52+細項檢查規則,PCBA組裝的分析功能,開(kāi)發(fā)了12大項,600+細項檢查規則。

                基本可涵蓋所有可能發(fā)生的制造性問(wèn)題,能幫助設計工程師在生產(chǎn)前檢查出可制造性問(wèn)題,且能夠滿(mǎn)足工程師需要的多種場(chǎng)景,將產(chǎn)品研制的迭代次數降到最低,減少成本。

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                華秋DFM軟件下載地址(復制到電腦瀏覽器打開(kāi)):

                https://dfm.elecfans.com/dl/software/hqdfm.zip?from=DFMGZH

                聲明:本文內容及配圖由入駐作者撰寫(xiě)或者入駐合作網(wǎng)站授權轉載。文章觀(guān)點(diǎn)僅代表作者本人,不代表電子發(fā)燒友網(wǎng)立場(chǎng)。文章及其配圖僅供工程師學(xué)習之用,如有內容侵權或者其他違規問(wèn)題,請聯(lián)系本站處理。 舉報投訴
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