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电源分配或配送网络(PDN),包含从稳压模块(VRM)到芯片的焊盘,再到裸芯片内分配本地电压和返回电流的片上金属层内的所有互连。其中含有稳压模块,体去耦电容,过孔,互连,电路板上的平面,板外附加电容器,封装的焊盘的引脚,装在电路板上的封装中互连,耦合线和C4焊球,芯片上的内部互连等。
PDN与信号路径的主要区别是,PDN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的线网,而且在该线网上挂接有很多个器件。
对PDN的首要的基本要求是,保持芯片焊盘间恒定的供电电压,并使它能够维持在一个很小的容差范围内,通常在5%以内。从直流到高于1GHz的开关电流带宽范围内,使电压值都必须在其容差范围内保持恒定。
另外,使PDN的阻抗足够低,互连足够宽,使它们的返回电流不会相互重叠。
小结:
1. PDN的设计是错综复杂而且是充满矛盾的。这从根本上是由于众多性能之间的复杂相互作用超出电路板设计师的控制范围,并且找不到相关的技术资料。
2. 设计PDN的目标是从芯片焊盘到稳压模块之间要有一个较低的阻抗。
3. 稳压模块和体去耦电容在低频的时候要有一个较低的阻抗。
4. 应尽可能的使体电容器拥有较低的回路电感。
5. 芯片与封装的设计主要是对100MHz及其以上频率范围内的阻抗产生影响。最主要设计准则就是增加更多芯片上的去耦电容,使芯片的装接电感较低,并且在封装中加装低电感的去耦电容器。
6. PDN设计主要是确定目标阻抗。可以通过器件功耗的最坏的情况得到。
7. 封装引脚电感从电路板到电源/地腔体的过孔根本上限制了板级阻抗的高频设计,
8. 在板级,应该尽可能的减小从电容器到封装的回路电感。
9. 一些比较重要的设计准则:在相邻电源/地平面层之间要使用薄介质,将电源/地平面层靠近电路板的表层放置;在电容器与连接到电源/地腔的过孔之间使用短而宽的表面层走线,在顶层的封装附近放置电容器,当扩散电感饱和时,在电路板的底层,封装的正下方放置一定数量的电容器。
10. 影响所用电容器的个数的最主要的因素是电容器的ESL值及板级去耦的最高频率。
11. 当电路板平面电容和去耦电容器在低频产生并联谐振时,可以通过SPICE仿真阻抗曲线去仔细选择电容器的容值,以使电容器的个数最小。
12. 对于超低阻抗的设计,电容器的大小就不如电容器个数及其ESL重要了,所有电容器的容值都相同也可以达到极好的效果。
13. 当涉及到并联谐振峰值时,具有最低容值的电容器会拥有最大的ESR,从而能提供一定的阻尼以降低阻抗峰值。
14. 为得到超低阻抗,封装中的电容器很重要,它们的作用会将减小对板上电容器的需求。
15. 对于超低阻抗的PDN设计,通过对芯片,封装和板级PDN的协同设计,将会给出最佳性价比的解决方案。