单电源分配网络（PDN）部分在产品设计中的重要

芯片的纳米工艺，大家可能不熟悉。但说到手机处理器应该不陌生，现有手机芯片一般用的是7纳米工艺，网上说三星在瞄准3纳米，而台积电在布局4纳米。这说明芯片沟道会越来越按比例缩小，集成电路的核心电压会降低。但是功率和频率却在提升，这对于电源完整性未来的挑战会越来越大。

说到电源完整性，先不说电源复杂的互连系统，单电源分配网络（PDN）部分在产品设计中就需要足够关注。

电源分配网络包含从源端稳压模块（VRM）到芯片，芯片分配电压，再到电源路径（单层直达或过孔转换的几个层面），最终流向使用芯片或终端设备。

电源路径与信号路径是有区别的，电源分配网络中一个电源路径可以在一个节点分成多个路径，或者说转换成多个电源，终端挂多个元器件，可以理解为一对多。而信号路径只能一对一。

既然电源分配网络是为终端设备提供所需电源，那就是有要求，就需要对电源分配网络管控。路径上电压是有变化的，那么电源分配网络的电流就会有波动，在这种情况下，就需要保持电源分配网络阻抗低于目标阻抗。

目标阻抗的管控说到底就是路径管控。两个因素：电源和地平面之间介质尽量薄，尽量短而宽的走线。

 

下图为消费类产品设计电源部分的实际情况图

板级电源分配网络设计的频率范围约从 1MHz 到 100 MHz。这正是电路板平面和多层陶瓷贴片电容器( MLCC) 发挥作用的频率范围 。这也是仿真时，重点关注的频率范围。

简单来说，低频率段由稳压模块来平衡，高频率段由芯片片选电容来解决，中间的频段就是板级来管控。

我们说的PDN设计一般就是指在PCB板级上给电源提供低阻抗路径。这里面还有电容摆放位置、电容不同容值&个数、反谐振等方面，到仿真这一边，就是交流部分：PDN阻抗提取和直流部分：IR Drop压降。

当交流电流通过电源路径时，电源分配网络上也将产生电压降，这个压降会随着频率发生变化。电源路径的不同（层数&Shape宽度等），造成的压降变化是不同的，输出稳定电压到终端的难度很大，我们所要做的只是保证电压的变化在一定的范围之内，也就是所谓的噪声容差。上式就可能转换为目标阻抗：

PCB板级PDN设计，需要先确定板级电源分配网络的设计目标阻抗。举例：1.2V的CPU用电为例，纹波百分比5%，最大电流为1.2A，根据公式：

上图说明，是否使能电容对PDN阻抗的影响很大。

三个软件的操作上来看，Sigrity&SIwave操作方式比较简单，和寄生参数的提取大体相当。
 

Sigrity电容模型

只是容值模型部分需要关注与研究，特别针对实际产品设计和优化。

或许是不常用也或许是其他原因，ADS上操作相对比较麻烦，花费的时间也比较长，这个时间是指EM仿真时间（30分钟以上）。不知道ADS新的版本或者操作上有没有更新改善。

反正这一通下来，感觉就是：一顿操作猛如虎，看到结果心里苦。最终，放弃了。

看到S参数就知道有问题。感觉应该是在叠层设置或者端口的设置那边出了问题。

叠层的部分，负片层方向；

端口的部分，Port负端方向。

三个软件操作步骤：

PDN提取的的时候，ADS软件给出频率扫描范围的建议，最高500MHz。

仿真出的结果对比：

直流部分IR Drop部分后面再讲。


审核编辑：刘清