何谓电源分配网络？电源分配网络是由哪些部分组成的？

1.概述

电源分配网络(Power Distribution Network,PDN)是将电源功率从源端输送给负载的电路路径，电流通过PDN的电源平面从电源端流向负载端，再通过PDN的地平面从负载端流回电源端。

在电路中对电源分配网络的基本要求是保持芯片（Chip）焊球间或晶片（Die）凸点间供电电压的稳定，并使它能够维持在一个很小的容差范围内，通常为5%以内。

电源分配网络的作用是为负载提供稳定的电压，并快速响应负载电流变化、减小开关噪声。

2.电源分配网络的组成

按照功能来划分，PDN主要是由电压调节模块(Voltage Regulator Module,VRM)、去耦电容、电源/地平面、电路走线和过孔等元素组成。

2.1.电压调节模块VRM

电压调节模块VRM，把一个DC电压转换成另一个DC电压，因此也可以称为DC-DC变换器。它感应负载的电压并通过调整输出占空比以控制负载电压。控制回路的带宽通常在1KHz到数MHz间。

2.2.去耦电容

当频率高于1MHZ并且VRM由于其高输入阻抗不能有效供电时，PDN需要其他供电器件来保证供电能力，这时需要使用大量的去耦电容器来保证PDN的供电连续性。

因为去耦电容能够存储电荷，所以一旦芯片电路需要电荷，去耦电容器可以直接为开关电路供电。去耦电容器通常放置在电源与地平面之间，一个引脚连接电源平面，另一个引脚连接地平面。

由于去耦电容器寄生电感参数的影响，去耦电容器可以被分为低频去耦电容器，中频去耦电容器和高频去耦电容器。

用以实现目标阻抗的电容器的有效去耦频率如图所示，低频去耦电容器的有效频率为1KHZ10KHZ，主要指体电容器；中频去耦电容器的有效频率为10MHZ100MHZ，主要指表贴电容器；高频去耦电容器的有效频率为100MHZ~1GHZ，主要指平面电容器。

去耦电容器按其使用位置可以分为三种：板级去耦电容器、封装级去耦电容器和芯片内去耦电容器。

2.3.电源/地平面

平面结构是PDN功率传输性能最优良的部分，其效率非常高，PCB和封装都可以包含电源/地平面对。电源/地平面的主要问题是它表现为电磁谐振腔，谐振频率由平面的大小和介质的介电常数决定：

通过改变电源/地平面参数以提高PDN供电性能的方法主要有三种：第一种是在电源/地平面间使用薄介质层，以提高PDN宽频范围内供电能力和抑制噪声能力；第二种是电源/地平面间使用具有高介电常数的介质层，以提高PDN低频区域的供电能力和噪声抑制能力；第三种使用高损耗介质材料，以抑制PDN谐振频率处的噪声波动和电磁辐射。

2.4.PCB走线和过孔

电路走线和过孔作为能量的传递者，将电源和去耦电容的电荷，尽可能无损耗的传输到负载，保证负载正常运行。

因此在布局布线时，应该尽量地降低ESR，保证PDN在低频时满足阻抗要求，同时也应该尽可能降低等效串联电感(ESL)，保证PDN在高频时满足阻抗要求。

3.目标阻抗

电源分配网络的最大阻抗，即目标阻抗，就是形成小于可接受纹波压降的最大阻抗。最佳的电源分配网络阻抗值应该低于但不应该远远低于目标阻抗。如下所示：

4.电源分配网络工程化建模

电源分配网络可以在频域里划分3个成简单区段。如下图所示，在低于10kHz的频率范围内，稳压模块的性能对电源分配网络阻抗起决定性的作用。

在10~100kHz的范围，去耦电容器对电源分配网络的阻抗起决定作用，通常是一些在稳压模块作用频率范围上提供低阻抗的电解电容及钽电容。最高频率时的阻抗取决于片上电容，这一容性阻抗是芯片在GHz所看到的电源分配网络的唯一特性。

任何芯片与电路板的接口都存在一些寄生电感。这通常取决于封装、过孔，以及过孔到电源/地平面连接处的扩散电感。

板级电源分配网络设计的频率范围约从 100 kHz 到100 MHz 。这正是电路板平面和多层陶瓷贴片电容器 (MLCC) 发挥作用的频率范围。

5.设计出成功的PDN的要素

首先是让电源和地平面成为相邻的平面层，平面之间的介质要尽量薄，并且还要让平面尽可能靠近电路板层叠结构的表面层；其次在去耦电容器焊盘和连接内层电源/地平面的过孔之间，使用尽可能短而宽的表层走线，并在具有最低回路电感的位置放置电容器；最后使用 SPICE 选择最佳的电容器容值及其个数，以使阻抗曲线低于目标阻抗。

成功的 PDN 设计需要将许多不同的电源和接地网络均匀地分配给电路板上的不同器件。虽然为每个所需的电压设置一个单独的平面层是一种比较方便的做法，但这些网络的数量通常会超过电路板堆叠的可用层数量。

为了解决这个问题，板图设计师通常会分割平面，以便在一个信号平面层上布置多个电源或接地网络。然而，这样做的挑战在于，虽然分割平面确实有效地分配了不同的电源和接地网络，但这也为信号返回路径制造了额外的障碍。

因此， 设计师需要设计分割平面，以便均匀地提供所有的电源和接地，同时保留敏感的高速信号所需的清晰的回流路径。