6个关于电源完整性基础知识

面包板社区 2025-10-03 08:45
6个关于电源完整性基础知识图1

1. 什么是PDN?

电源分配网络(Power Distribution Network, PDN)是指从电压调节模块(VRM)到芯片晶体管之间的完整电能传输路径,包含PCB电源平面、电容、电感、过孔、封装引线等元件。电源分配网络为晶体管提供状态切换所需的电压与电流。

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2. 为何PDN会产生噪声?如何产生?

PDN噪声主要由以下机制引起:

  • 寄生参数效应:导线电阻(R)和电感(L)导致直流压降(IR Drop)和瞬态电压波动(ΔI噪声)
  • 瞬态电流需求:晶体管开关状态变化时瞬间汲取大电流,通过PDN寄生电感引发电压波动(V=L⋅di/dtV=L⋅di/dt)
  • 电容充放电:去耦电容的充放电响应延迟可能无法完全抑制高频噪声
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3.为何电源噪声也称为感性噪声、SSN噪声?

  • 感性噪声:强调噪声源于PDN中寄生电感(V=L⋅di/dtV=L⋅di/dt)的电压突变
  • SSN噪声(同步开关噪声):当多个晶体管同时切换状态时,瞬态电流叠加导致更严重的感性噪声,常见于总线接口或并行数据处理电路
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4. 感性噪声的关键参数有哪些?

  • 寄生电感(L):回路电感、封装电感、焊盘电感等
  • 电流变化率(di/dt):晶体管开关速度越快,di/dt越大
  • 噪声频率范围:由电流频谱和PDN阻抗特性共同决定
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5. 什么是目标阻抗?为何需要它?

  • 目标阻抗(Target Impedance):为保持电源电压波动在允许范围内,PDN在特定频率范围内需达到的最大阻抗值(Ztarget=ΔV/ΔI)
  • 必要性:若实际PDN阻抗高于目标阻抗,瞬态电流将引起过大电压波动,导致电路时序错误或可靠性下降


6. 如何仿真并确保PDN满足目标阻抗?

仿真方法:
  • 频域仿真:使用ANSYS SIwave、Cadence PowerSI等工具提取PDN阻抗曲线(Z参数)
  • 时域仿真:通过SPICE或ADS验证瞬态电压响应

设计保障:
  • 分层放置去耦电容( bulk电容、陶瓷电容、高频电容)覆盖全频段
  • 优化电源平面结构减少寄生电感
  • 使用仿真工具迭代调整电容数量、位置和值
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整理自台大吴瑞北教授的课件


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