电源完整性知多少？这四个要点请收藏（附电磁仿真学习包）
作者 | 广元老师 仿真秀专栏作者
导读：所有的产品离不开电源，从芯片级到封装级再到板级，从晶体管到键合线再到铜箔，电源的协同设计可以贯穿整个产品级。电源如此重要，却充满着设计挑战，从耦合到串扰再到噪声，如何保证电源的输送是电源工程师必须要考虑和解决的。电源输送可以理解为电源分配网络（PDN），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。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，将其转换为目标阻抗：一般默认，电流为最大电流值的50%。PCB板级PDN设计，最先需要确定的便是电源分配网络的目标阻抗。说到目标阻抗管控，在实际工作中，铺电源网络，即电源从源端到终端的路径，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，目标阻抗的管控说到底就是路径管控。如何管控？两个方向：电源和地平面的介质和短而宽的连接。电源分配网络（PDN）有两种分析方向：单点式和分布式。单点式分析假设平面电压为常量，终端的去耦电容为并联，这里主要考虑的是谐振与反谐振，低频情况下，可以忽略平面电感的影响，但是还是要考虑平面电感和平面间距的影响。平面电感可以看成为分布式电压，有平面有变化的电压，会产生驻波（全波即为360°相移，半波则为180°反相），就会在一些频率处产生谐振。任何谐振电磁结构中存储的能量（电&磁）在一段时间内都会在电场和磁场之间周期性振荡，这说明能量在交替变换，在最大值和零值之间。以版图设计的平面，可以理解为矩形谐振腔为例，能量到达平面边缘，会发生反射。反射回来的能量会和入射能量进行交换，相位相同形成最大值，即波峰，相位相反形成形成零值，即波谷。有些达到平面边缘的能量没有反射回来，就会形成噪声，产生EMI问题。在平面谐振的频率点上，去耦电容的位置就很关键，需要它们放在电压的最大值处以便更好地减少平面间的反弹。
板级电源分配网络设计的频率范围约从 1MHz 到 100 MHz，其实根本到不了100M，这个频率范围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PCB板级电源仿真时需要重点关注的。
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。下图说明，是否使能电容对PDN阻抗的影响很大。先期评估，确认各个电所需层面和路径的时候，我们会预先根据相关规范或标准，制定一个电源树（Power tree）。个人觉得电源树的概念提的特别好。一个主干道有很多分支，分支上再有分叉，一直到末端。电源分配网络可以有很多分支，也就是说路径上可以挂很多设备，比如5V电源下挂HDD，USB设备等。比如12 V的电转出5V，5V总电分出分支，给到各种设备。5V经过LDO转换电路出3.3V电，,3.3V总电分出分支，再往下继续……同时列出各个分支所需电流的多少，为后面路径规划（所需电源Shape大小给出标准），同时给出对应的层面及评估。在做电源路径规划，建议先做电源树Power Tree，对所做设计的终端设备所需电压路径及所需电流大小一一评估，产品的不同，有的产品可能会使用几十种电压值。检查的时候，建议从终端往前反推，这样保证没有遗漏。不管什么产品，电源是其最重要的部分。特别是消费类产品，在成本的管控之下，会通过各种手段降低成本，最直观的减小MLCC的使用种类和数量，电源的优化是一项很重要的工作，通过优化，来降低产品成本，这也是电源完整性的作用和职责所在。7月23日20时（周六），2022仿真知识周第十一期讲座半个射频工程师带来《电源完整性PI仿真案例与难点解析》讲座，内容大纲非常实用，强烈推荐有志于从事SIPI工作相关人员和其他想转行高速仿真领域的人员学习。以下是课程安排：
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