PDN 环路电感@@对纹波和总阻抗@@有何影响@@？

judy -- 周三@@, 12/20/2023 - 17:24

本文要点@@

  • 电气系统中@@电源分配网@@络@@（PDN）的各个部分都有自己的环路电感@@@@，这将增加电路@@结构的总阻抗@@@@。
  • 各种@@188足彩外围@@app 的环路电感@@会导致@@ PDN 阻抗@@谱中@@出现谐振和反谐振@@。
  • 设计人员应认真计算@@@@ PDN 阻抗@@，以便更好地了解电源轨@@上的@@纹波@@。

    • 由于摆放着器件@@、走线@@、过孔@@、焊盘@@、平面等@@，PCB 都具有复杂的几何形状@@。使用了多层平面@@、电源轨@@、通向器件的过孔@@以及去耦电容器@@，PCB 中@@的@@ PDN 可能相当复杂@@。其中@@每个元素都会对结构的总阻抗@@产生一定的@@ PDN 环路电感@@，因此@@，作为电源完整性设计的一部分@@，电感对于总阻抗@@的影响十分重要@@，值得关注@@。

    这块@@ PCB 上的@@ PDN 阻抗@@谱将非常复杂@@，有多个环路电感@@峰值@@

    目前还无法用一个公式就能确定@@@@ PDN 环路电感@@或@@阻抗@@@@。与用公式来确定@@@@ PDN 中@@的@@电感和阻抗@@相比@@，通过测量@@和使用场求解器来确定@@这些值更为精确@@，有助于更好地理解@@ PDN 上的@@瞬态行为@@。确定@@这些值之后@@，设计人员就可以采用传递函数的方法来了解@@ PDN 阻抗@@，并预测@@不同器件产生的纹波噪声@@。在确定@@阻抗@@之前@@，首先我们需要了解电感对阻抗@@的影响@@。

    1. PDN 环路电感@@对阻抗@@的影响@@

    观察一下@@ PDN 的阻抗@@谱就会发现@@，它并不是一直处于低位@@。PDN 阻抗@@的频谱非常复杂@@，频率范围广泛@@，且存在多个谐振和反谐振@@。电容和电感是影响@@ PDN 阻抗@@的主要因素@@，决定了典型@@ PDN 阻抗@@谱的形状@@。PDN 环路电感@@和电容器中@@的@@有效串联电感@@@@ (Effective Series Inductance, ESL) 将决定阻抗@@谱的峰值@@，如图@@@@1所示@@：

    图@@1：PDN 阻抗@@谱示例@@

    观察一下@@高速@@ PCB 中@@ PDN 的结构就会发现@@，一个典型的@@ PDN 结构包含相邻的电源和接地平面@@，它们就像一个超大型电容器@@。相邻平面的电容和电路@@板上的@@去耦电容共同构成了一个大型电荷库@@，可在开关期间向数字@@188足彩外围@@app 提供电荷@@。但不要忽略@@ PDN 结构中@@的@@某些电感源@@，它们会产生图@@@@1中@@显示的谐振@@。这些电感源包括@@：

  • 电容器中@@的@@有效串联电感@@，在高频时会产生电容器自谐振和非理想行为@@。
  • 过孔@@和走线@@@@，它们有自己的环路电感@@@@。
  • 电源平面和接地平面的组合@@。
  • 器件上的@@连接线和焊盘@@@@，它们有自己的阻抗@@@@，会在器件输入端造成引脚封装延迟@@。

    • 在设计@@ PDN 的阻抗@@时@@，我们的目标不是计算@@单个电感并试图@@达到特定的设计值@@，而是确定@@在哪些位置添加去耦电容@@，有效针对阻抗@@谱中@@的@@特定峰值@@，从而保持整体阻抗@@较低@@。通过将@@ PDN 阻抗@@保持在较低的水平@@，可将电源总线上的@@纹波电压控制在可接受的范围内@@。

    此外@@，还需要对阻抗@@进行量化@@，并预测@@阻抗@@对电源总线上的@@瞬态纹波响应有何影响@@。为此@@，可以通过测量@@标准@@ PDN 阻抗@@和计算@@脉冲响应来实现@@。

    2. 测量@@ PDN 阻抗@@

    如下列电路@@图@@所示@@@@，PDN 的结构实际上是一组并联的非理想电容器@@，它们通过寄生电感连接在一起@@。这种现象模型的阻抗@@无需计算@@@@，可以在测试板上通过@@ TDR 测量@@、脉冲响应测量@@或@@网@@络分析仪@@（Z 参数@@或@@@@ S 参数@@）进行测量@@@@。

    用于描述@@ PDN 阻抗@@的电路@@模型示例@@。[来源@@：Signal Integrity Journal《信号完整性期刊@@》］

    只有电容器中@@的@@元素是已知的@@，其他电感器元素则代表@@ PDN 环路电感@@。实际情况中@@@@，在上述模型中@@确定@@具体电感值毫无意义@@。只要明确阻抗@@谱@@，设计人员就可以放置一个自谐振频率与阻抗@@谱中@@的@@电感峰值相匹配的去耦电容器@@。

    3. 预测@@ PDN 上的@@瞬态波形@@

    确定@@ PDN 阻抗@@后@@，就可以使用卷积定理计算@@@@ PDN 上的@@脉冲响应@@。为此@@，只需知道@@ PDN 阻抗@@谱函数和输入@@ PDN 的瞬态电流时域波形@@（通常以方波形式建模@@）。可通过以下傅立叶变换和卷积积分来定义@@：

    计算@@开关期间在@@ PDN 上测量@@到的纹波电压的脉冲响应@@。注意@@"*"是卷积运算@@

    4. 计算@@ PDN 环路电感@@与阻抗@@的方法@@

    我们无法使用公式来确定@@@@ PDN 的总环路电感@@@@，也不能简单地将@@ PDN 建模为只有一个等效环路电感@@@@。因此@@，也不能使用@@ SPICE 仿真直接根据@@ PDN 的结构和@@ PCB layout 来计算@@@@ PDN 阻抗@@；因为整个系统的几何结构非常复杂@@。PDN 的复杂结构会产生一个非常高阶的滤波器@@，这不仅仅是一个具有多个极点和零点的大型@@ RLC 电路@@。虽然阻抗@@是决定@@ PDN 电源总线纹波的重要因素@@，但不能简单地认为阻抗@@可以直接计算@@@@，这是一种错误的电源完整性设计方法@@。

    正确做法是直接根据麦克斯韦方程计算@@电磁场@@、电势和电流@@，并使用欧姆定律计算@@@@ PDN 阻抗@@。要获得阻抗@@谱@@，需要使用有限差分频域@@ (Finite-difference Frequency Domain, FDFD) 数值方法@@，并将欧姆定律与计算@@出的电势和电流@@相结合@@，得出@@ PDN 阻抗@@。高级的@@ PCB layout 工具会提供一个功能强大的@@ 3D 电磁场求解器@@，可用于执行这些计算@@以及电气系统中@@其他的重要分析任务@@。

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