本文要點
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將 PDN 阻抗設計為目標值有助於確保設計的電源穩定性。 |
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PDN 目標阻抗在一定程度上會決定 PDN 上測得的任何電壓波動。 |
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確定目標阻抗需要考慮 PDN 上允許的電壓波動、輸出訊號上允許的抖動，或將兩者都考慮在內。 |
阻抗可能是用於普遍概括電子學所有領域訊號行為的一項指標。在 PCB 設計中設計具體應用時，我們總是有一些希望實現的目標阻抗，無論是射頻走線、差分對，還是阻抗匹配網路。要想確保電源完整性，就要按照 PDN 目標阻抗進行設計，但如何確定 PDN 目標阻抗是一項不小的挑戰。
而遺憾的是，沒有哪一項行業標準 (甚至產品手冊中也沒有提供一定的規範) 可以告訴我們，在 PCB 中實現電源完整性所需的目標阻抗是多少。為此，我們需要針對訊號行為、允許的功率波動、甚至 PDN 的拓撲結構來確定最低要求。
對於電源完整性而言，合適的目標阻抗是多少？
去耦電容有助於達到目標阻抗並保持電源完整性
不能想當然地認為任何 PDN 都需要一個特定的目標阻抗水準，因為事實並非如此簡單。我們需要選擇的阻抗值取決於幾個因素，而且根據 PDN 的結構，可能很難確定哪些因素最為重要。影響目標阻抗值的主要因素包括：
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電源匯流排上允許的電壓波動 |
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輸出訊號上允許的時序抖動 |
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數位 IC 中的核心和邏輯電平 |
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流入 PDN 的電流大小和頻寬 |
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PDN 是數位的還是類比的 |
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PDN 的拓撲結構 |
要確定電源完整性的目標阻抗，有兩種最常見的方法，即考慮上述列表中的前兩項。雖然該列表中的所有要點都是相互關聯的，但前兩項通常用於確定 PDN 目標阻抗的設計目標。
最小電壓波動的目標阻抗
需要一定的電壓波動才能讓一定量的電流流入 PDN，而產生電壓波動所需的目標阻抗可以由歐姆定律確定。如果知道了允許的電壓波動和開關期間的總電流消耗，就可以計算出與這兩個值有關的 PDN 阻抗。
PDN 目標阻抗方程
舉個例子，只要翻閱一下主處理器的資料手冊就可以確定限值。下圖所示為 Kintex UltraScale FPGA 的電源電壓資料。我們可以根據資料表中列出的電源電壓的標稱值、最小值和最大值 (見下面的紅框) ，對電源軌電壓的波動設定一個限制。
某大型 FPGA 的電源電壓資料
例如，在第一行中，如果我們考慮到 VCCINT 內部電源電壓有 20% 的安全裕度，我們可以將允許的電源軌電壓波動設置從 0.927 V 到 0.974 V。接下來，在產品手冊中找到開關期間的電流消耗，並使用歐姆定律來確定設計中的 PDN 目標阻抗。只要該電源軌的 PDN 阻抗在整個訊號頻寬內低於目標值，那麼任何電壓波動都可以最小化。
最小抖動的目標阻抗
確保抖動最小化是一個重要的目標，有時也可用來確定 PDN 的目標阻抗。當一個數位零件進行開關操作並導致電源匯流排上的電壓波動時，零件中不斷變化的邏輯電平會導致訊號中的時序和上升速率發生波動。顯然，這兩者相互依存，並創造了一個有趣的回饋系統，但要使抖動最小化，就必須使這種電源波動最小化。
抖動的典型值可以從 10ps/mV 到 100ps/mV (對於某些邏輯電路而言) 不等。高精度時序和測量應用需要將抖動降低至 1 ps/mV。這方面的例子包括點雲成像應用 (point-cloud imaging applications)，如光達 (lidar)、4D 雷達和其他電子光學應用。
拓撲結構
PDN 的拓撲結構也會影響目標阻抗，但並不是以我們預期的方式。典型 PCB 中的 PDN 可以有一個多匯流排拓撲結構。在這種拓撲結構中，通常有一個初級穩壓器，將輸入電壓降至高邏輯電平 (5V)，並將電源分支至匯流排。匯流排上也會放置其他穩壓器，用於繼續降低電壓。詳見下面方框圖中的示意圖。
典型的 PDN 拓撲結構，一條電源匯流排上有多個電路模組
每個總線段上的不同電路模組和零件可以相互影響，這意味著由一個零件引起的 PDN 上的干擾可以傳播到所有其他零件。這可以用 Z 參數矩陣來量化，它也稱為阻抗參數矩陣。從該矩陣可以全面瞭解 PDN 阻抗，以及流入 PDN 某部分的電流如何在其他部分產生紋波。3D 電磁場求解器可用於確定網路參數矩陣，並在開始原型設計之前評估電路板的電源完整性。
努力降低 PDN 阻抗
一般來說，無論 PDN 的拓撲結構如何，我們都應該努力在所需頻寬內將 PDN 阻抗降至最低。把 PDN 阻抗降到零是不可能的，但如果能把 PDN 阻抗降到毫歐 (milliohm) 級別，達到 GHz 級頻率，那麼設計就會非常順利。如果使用大量具有不同 ESL 值的去耦電容和相鄰平面，將有助於降低 PDN 阻抗，從而使電源匯流排電壓波動和輸出訊號的抖動保持在一個較低的水準。
在所有設計挑戰中，目標阻抗只是電源完整性的一個方面。Cadence Sigrity X 軟體可以説明我們評估設計中的電源完整性，並提供了一整套時域和頻域模擬功能，以確定目標阻抗是否需要降低。Sigrity X 提供了一系列可以用於 PDN 阻抗分析的模擬功能，在全面評估系統功能並確保電源完整性上助您一臂之力。
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譯文授權轉載出處 (映陽科技協同校閱)
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