PCB特性影响电源分配网络(PDN)性能 - 全文

　　电源分配网络（PDN）的基本设计规则告诉我们，最好的性能源自一致的、与频率无关的（或平坦）的阻抗曲线。这是电源稳定性非常重要的一个理由，因为稳定性差的电源会导致阻抗峰值，进而劣化平坦的阻抗曲线，以及受电电路的性能。

　　由于没有阻抗路径是完全平坦的，所以我们需要做一些设计调整。本文旨在帮助你做出一些对系统性能影响最小的折衷。

　　源阻抗应该匹配传输线阻抗。

　　一般来说，这是S参数测量和所有射频设备的基本前提。源阻抗（最常见的是50Ω）连接到阻抗与源匹配的同轴电缆，负载也端接到相同的阻抗。这种做法实现了完美的平坦阻抗，不管是从源看到负载还是从负载看到源都是一致的。

　　稳压器的输出阻抗可以被认为是一个源，而PCB层可以看作是一根传输线。后端去耦电容就是负载。

　　传输线基本原理

　　当频率低于传输线谐振频率时，传输线特征阻抗可以用电感和电容项定义。电容可以在传输线远端没有端接时测量。电感可以在传输线远端短路时测量。传输线的特征阻抗取决于这两个测量结果，即：

　　

　　正确匹配的传输线呈现完全平坦的阻抗曲线，其幅度等于特征阻抗。不正确端接的传输线呈现为电容或电感性质，在传输线谐振频率的倍数处会产生许多谐振和抗谐振频率。如果传输线是电容性质，那么抗谐振首先发生。如果传输线是电感性质，那么谐振先发生。在两种情况下，首次谐振或抗谐振的频率为：

　　（3）

　　图1用50Ω同轴电缆仿真显示了这些关系。未端接终端阻抗是在电缆末端开路、短路和匹配端接的情况下测量的。

　　

　　图1：传输线近端阻抗开路（蓝色）、短路（红色）和正确匹配（绿色），另外一种有趣的关系。

　　在传输线和源不匹配的情况下，有两种可能的解决方案，具体取决于端接电阻是大于还是小于特征阻抗。如果端接电阻小于传输线的特性阻抗，那么抗谐振峰值会超过端接电阻。这些阻抗峰值被定义为：

　　（4）

　　利用前面端接电阻分别是24.9Ω和210Ω的仿真模型可以显示这些关系，图2中端接电阻是匹配的。

　　

　　图2：传输线未端接终端阻抗24.9Ω（蓝色）、210Ω（红色）和正确匹配（绿色）。

　　这些关系在图3的对端接24.9Ω和210Ω的50Ω同轴电缆测量中得到了确认。

　　

　　图3：对端接210Ω（红色）和24.9Ω（蓝色）的50Ω同轴电缆的测量结果。

　　这些概念被扩展到实际的一块双面印刷电路板，在这块PCB上面积为4.5“x 6.3”的裸铜箔中心焊接有一个SMA连接器，如图4所示。

　　

　　图4：利用一块面积为4.5“x6.3”、一个边有个SMA连接器的双面铜箔板测量PCB的开路（绿色）和短路（橙色）阻抗。该阻抗还用SMA连接器正对面的2.7Ω（蓝色）和10Ω（红色）端接电阻进行了测量。电阻用非常短的编带连接到PCB，以便尽量减小互连电感。

　　我们可以使用图4中的示波器测量结果近似计算PCB的特征阻抗。电容是用标记M3估计的。

　　

　　另外，特征阻抗可以看作是开路阻抗和短路阻抗的交叉点，发生在近似11.5dBΩ或3.76Ω点。

　　也可以使用（4）和带2.7Ω端接电阻的近似峰值阻抗（14.5dBΩ）计算PCB的特征阻抗。

　　

　　用3.6Ω的端接电阻重复进行测量，如图5所示。

　　

　　图5：用3.6Ω代替2.7Ω端接电阻对同一块PCB进行测量（红色）。注意，在采用3.6Ω的端接电阻后，只有少量峰值指示其特征阻抗稍大于3.6Ω。

　　对PCB进行仿真并与图5进行比较，结果如图6所示。

　　

　　图6：PCB仿真结果与图5所示的测量结果进行比较。

　　最后，使用电源端的0.6Ω和3.6Ω源阻抗并在PCB谐振频率点仿真动态瞬时响应。仿真模型见图7，仿真结果见图8.

　　

　　图7：用0.6Ω和3.6Ω源阻抗代表稳压器输出阻抗，在谐振频率点进行动态负载瞬时ADS仿真。

　　

　　图8：瞬时响应仿真结果表明，0.6Ω较低源电阻（红色）的瞬时响应比匹配的3.6Ω源电阻（蓝色）具有大得多的电压偏移。

　　小结

　　本文讨论了几种确定电路板特征阻抗的方法，并用仿真模型定义了PCB特征与PDN性能之间的重要关系。在经过实际测量后，关系得到了确认。

　　可以通过观察第一个缺陷是谐振点还是抗谐振点来判断PCB阻抗是否大于或小于端接阻抗，端接阻抗是否大于PCB阻抗。

　　这些结果清晰地表明，为了优化PDN性能，必须使PCB层阻抗与稳压器的输出阻抗相匹配。最好是使PCB层阻抗等于稳压器的输出阻抗，如果不可能实现的话，PCB阻抗应该低于稳压器输出阻抗，以便更好地包含与峰值阻抗最大值相关的峰值偏移。