信号完整性（SI）电源完整性（PI）学习笔记（二十九）电源分配网路（一）
电源分配网路（一）
1.电源分配网络又称为电源配送网络（PDN），包含从稳压模块（VRM）到芯片的焊盘再到裸芯片分配本地电压和返回电流的片上金属层在内的所有互联。
2.电源分配网络与信号路径的主要区别是，电源分配网络中的每个电压轨道只有一个线网。它可以是一个覆盖整个电路板的很大线网，并且在该线网上连接很多个元器件。
3.对电源分配网络的首要和基本要求是，保持芯片焊盘间的供电电压恒定，并使它能够维持在一个很小的容差范围内，通常在5%以内。
4.电源分配网络的作用有3个：
（1）保持芯片焊盘间的供电电压恒定；
（2）使地弹最小化；
（3）使电磁干扰问题最小化。
用于在电力的电源分配网络互连也总是用于运送信号线的返回电流。这些电源分配网络互连的第二个作用是提供一个低阻抗的信号返回路径。
如果芯片消耗的是一个恒定直流电流，那么由于互连的串联电阻存在，该直流电流将在电源分配网络互连上产生压降，通常称为IR压降。
5.现在不仅需要考虑电源分配网络的电阻性阻抗，还要考虑复阻抗，其中包括电源分配网络互连的感性阻抗与容性阻抗。通常是一个与频率相关的阻抗记为Zf，当具有一定频谱宽度的波动电流I（f）通过电源分配的网络的复阻抗时，电源分配网络上将会产生电压降：
6.芯片焊盘上的电压变化必须在给定的电流波动下小于某一电压噪声容差，就是通常所说的纹波。这就是要求电源分配网络阻抗必须低于某一最大容许值，即目标阻抗：
电源分配网络导体上的轨道塌陷或电压噪声的根本原因在于流过源分配网络阻抗的芯片电流导致电源分配网络互连上产生了电压降。
假定芯片中的电流产生了波动如果要保持芯片焊盘之间的电压稳定，就需要保持电源分配网络阻抗低于目标阻抗值，这就是电源分配网络设计的根本的指导原则。
7.设计电源分配网络的过程中的3个最重要的设计准则如下：
（1）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。
（2）在去耦电容器焊盘和连往内层电源/地平面腔的过孔之间，使用尽可能短而宽的表层走线，并在具有最低回路电感位置放置电容器；
（3）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。
8.如何确定目标阻抗？
设计电源分配网络的第一步是确定目标阻抗。必须分别对电路板上所有芯片的各个电压轨道进行独立设计。对于每一个电压轨道，目标阻抗可能会随频率而改变，这取决于芯片各自的电流频谱。
9.流过芯片的消耗电流频谱可以覆盖从直流到高于时钟频率的几乎任何频率。这就意味着，除非了解芯片上精确的电流频谱，否则便要假定峰值电流可能出现在从直流到信号带宽的任何频谱处，这是因为有各种微代码都可能在该芯片上运行。
极少数情况下，如果已知用于芯片处理的消耗电流高于某频率时会明显下降，就可以在电流频谱中加入这些约束条件。只要有可能，就得这样做。
芯片中消耗的电流总会出现一些正弦波的频率分量。所产生的电压将进行叠加会产生纹波。
10.实际上，与电源分配 网络的高频部分发生相作用并不是峰值电流，而是最大瞬度（跳变）电流。当电流在直流值上下变化时，无论是增加还是减少，如果大于稳压模块的响应频率，则电流将会与电源分配网络阻抗发生作用。
电源分配网络的最大阻抗，即目标阻抗，就是形式小于可接受纹波压降的最大阻抗，可以由下式：
最佳的电源分配网络阻抗值应低于但不应远低于目标阻抗值（控制成本，没必要过度设计）
11.乳沟在每个频率处都保持电源分配网络阻抗值低于目标阻抗值，那么由最大瞬变电流流过电源分配网络阻抗产生的最坏电压噪声情况也将小于最大纹波指标要求。
12.只要有可能就应该使用瞬变峰值电流去估计目标阻抗。当得不到瞬变峰值电流时，也可以用芯片功耗或芯片最大消耗电流进行粗略估计。
技术要求说明书提供了每个电压轨道的最坏峰值电流情况。
13.这对估算所需稳压器的量级很重要，这是要求稳压器在额定电压下给出的最大消耗电流。
14.根据经验法则粗略估计，瞬变电流是最大电流的一半，即
芯片的技术手册中都会提供芯片的最坏功耗情况，因为这是设计封装热管理方案的关键信息。那么芯片的峰值消耗电流可由以下式估算：
目标阻抗可估算为：
若纹波指标为5%：
根据门开关的使用率简单估计特定电压轨道的消耗。这可以用于估计
电压轨道目标阻抗的指标，如果n个门同时开关，则瞬变消耗电流将为：
15.设计电源分配网络的目标是要在相当大的带宽内保持电源分配网络互连阻抗低于目标阻抗值。超过目标阻抗的电源分配网络可能会导致过量的扰动，而远小于目标阻抗的电源分配网络则可能存在过度的设计，增加了不必要的成本。
如图：
从中可以看到，若电流阶跃突变而激励阻抗峰值此阻抗峰值频率处的电压特征就一个振铃。
电源分配网络阻抗曲线上的阻抗峰值是需要特别注意的一个重要设计特征。电源分配网络阻抗设计的许多方面，尤其是电容器容值的选择，都是旨在减小电源分配网络的阻抗峰值。
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