PCB走线基础(一):电源完整性与PDN设计

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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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