PCB走线基础(一)：电源完整性与PDN设计

原文来自微信公众号：工程师看海

SI（信号完整性）研究的是信号的波形质量，而PI（电源完整性）研究的是电源波形质量， PI研究的对象是PDN（Power Distribution Network，电源分配网络），它是从更加系统的角度来研究电源问题，消除或缓解电源噪声，满足负载对不同频率电流的需求，为负载提供干净、稳定、可靠的电源，和SI一样，PI也是PCB工程师的基本要求之一，拉线拉的好不好，PDN是重要考核方向之一。

前文有详细介绍信号完整性，本节是介绍电源完整性，二者有什么差异呢？SI的分析基础是传输线，而PI的分析基础是传输平面，SI的常见整改方法有修改走线宽度、长度、参考层，而PI的整改方法有修改电源平面/地平面的走线、优化匹配电容器值、电容数量或安装方式等。

在手机基带硬件设计中，或者其他电路系统中，PDN应该是最复杂的互联结构，我也建议新手从电源开始，这里的电源包含两个方面，第一个方面是电源结构基础，包括BUCK、LDO等电源架构，以前的文章已经有详细介绍，通过电源树（power tree）可以基本了解手机上各模块的电源需求，以书籍《从器件认知到手机基带电路设计》的5.3 power path章节中的电源结构为例，整理得到下图的power tree。

注意：图中的数据只是示例，具体还是要以实际电路为准，从上面的电源树中，就可以挖掘出很多信息，比如对功耗敏感的LDO，只有U5和U6效率可以，其他LDO效率都很低，这就需要再优化电源结构，提供电源利用率，还有其他信息可以挖掘，前文已经有介绍，这里不再赘述。

第二个方面便是PDN，PDN可以保证整个系统工作的有效性，避免负载在复杂工作条件下，电压波动超标，导致系统异常，由此方能完成从电源源端到互联链路最终到负载的完整设计，深刻了解电源后会让你对手机整体设计有个总的印象，会对整个硬件系统有更加深刻的认识，往后做充电、音频、屏幕相机、传感器，要从容的多。

上述两个方面，前者是电源工程师的重点，后者是电源完整性工程师的重点，相比于电源工程师，PDN更关注电源路径及终端，PDN链路起始于电源模块VRM（voltage regulator model）包括路上的PCB走线、电容、过孔， package和Die电容等，链路纷繁复杂，需要以系统性角度来分析PDN问题，并优化PDN，最终达到为芯片提供稳定干净的电源的目的。

我们在设计PDN时，关注直流和交流两部分。

直流部分即△V=△I*R，从VRM到IC是有串联电阻存在的，通过直流电时就会产生压降，比如1A的电流通从VRM到达负载，线路电阻是10mΩ的的话，就会产生1*0.01=0.01V的压降，这个压降就是常说的IR drop，负载电流不是一个固定值，是不断在变化的，因此IR drop也是一个变化值，比如当负载在2A工作时，那么2*0.01=0.02V，就会产生0.02V的压降，这和前文中介绍LDO的走线情况很像。

但是负载不会稳定的工作在一个电流值，比如玩游戏时，CPU会进行各种复杂的运算，GPU会进行复杂的渲染，这些芯片内部的开关都在高速工作，使得其从电源抽取的电流变的很复杂，分析这复杂的时变电流，就不能用电阻了，就需要引入和时间和频率相关的参数，即阻抗Z（阻抗=电阻+容抗+感抗），电压的波动是由电流的波动引起的。

我们再回到经典的计算公式△V=△I*R，现在稍微改变一下，那么就变成了△V=△I*Z，R是常数与频率无关，而Z就与频率有关了，△V是电流改变时引起的电压变化量，如果△V太大了，超出了负载允许的电压波动，那就是危险的事情了，通常负载能容忍的电压波动是典型值的5%或3%（具体以实际负载的手册为准），因此电压波动就避免超过这5%或3%。比如下图中，负载需要0.75V的电压，假设负载最大能容忍3%的电压波动，即最大能接受0.75*0.03=0.0225V的电压波动，而实际电压波动仅有0.015V，这就满足负载的需求。

我们再来看公式△V=△I*Z，简单变形得到下面公式

那么只要我们实际电路的PDN阻抗Z足够小，Z小到一定程度后，电流波动引起的电压波动（△I*Z）就会小于△Vmax，那么此时的阻抗就是目标阻抗Ztarget，所以我们设计PDN的原理就是通过优化链路上的阻抗Z，使它低于目标阻抗Ztarget，这样就保证电压可以满足负载的需求了，简言之，就是通过约束阻抗来约束电源波动，我需要知道目标阻抗，并且要知道线路电容上那些电容的具体型号，而且还需要精准的仿真，才能得到可靠的设计。

比如上图就是阻抗频率曲线，如果负载工作频率单一，只以一个固定的频率工作，假设工作电流是一个单一频率的正弦电流，那么阻抗优化就变的简单了，只要这个频率的阻抗低于目标阻抗就行，但是实际情况很复杂，我们不知道复杂的具体工作频率，所以为了保险起见，我们控制的是一定频段内的阻抗，而不是直流或单一频率的阻抗，这看起来是一种过设计，但是确实非常安全的设计。蓝色曲线就是我们的目标阻抗，我们要做的就是优化这一频段内PDN阻抗（Feffective频率内），使得实际红色阻抗在负载要求的频带内低于目标蓝色阻抗。

PDN的基本概念和原理就先介绍到这里，下一节介绍相关PDN优化策略，用于指导实际PCB布局布线和电容器件的选型优化。

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原文来自微信公众号：工程师看海

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审核编辑：汤梓红