电源分配网络(PDN)与目标阻抗的计算方法

使用目标阻抗去衡量仿真得到的PDN阻抗是否达标，并不是一个科学的做法。但很多时候选择的IC可能并没有提供各个频段所需的PDN阻抗值，甚至翻完整个Datasheet都没有提及PDN，这个时候就需要用到目标阻抗法来衡量仿真结果，毕竟有一个经验公式总比瞎搞好。

设计中，PDN也叫电源分配网络，全称是Power Distribution Network。为负载提供低噪声的电源，为信号提供低阻抗的返回路径等等都是它需要做的，它是衡量电源设计质量的重要指标。

在一个系统中PDN的频率从HZ到GHZ都有。幸运的是对于PCB来说并不需要管这么宽的范围，低频段的交给VRM，高频段的交给IC的片上电容，实际上对于PCB来说需要关注的大概就在100K~100MHZ这样一个范围。

上面这张图中有一根横线（Z target），这跟横线就是目标值，判断电源设计是否合理，很重要的一个指标就是PDN阻抗不能超过目标值。

这个目标值在一些优秀的IC厂商提供的DATASHEET中明确给出，而且是各个频段对应不同的目标值，通常低频要求目标值较低，随着频率增高，这个值会逐渐增加(并不是说高频要求降低了，只是把这个任务的很大一部分交给了片上电容来完成)。

但对于没有给出这些信息的IC厂商，就可以考虑使用经验公式：目标阻抗法。

其公式为：

其中Ztarget是我们的目标值，Vsupply表示电压值，%ripple则是纹波的百分比，分母则是最大电流。

如果用最大电流来计算，会使得实际的目标阻抗值比较苛刻，正常情况下可以取0.5倍最大电流值计算即可，乐观点还可以0.3倍最大电流计算。

假设这个电源电压5V，纹波的峰峰值是3%，最大电流是2A，那么悲观的人得出的目标阻抗是：Ztarget=(5*0.03)/2=0.075；

心态正常的人得出的结果是：Ztarget=(5*0.03)/(2*0.5)=0.15；

乐观的小伙伴结果是：Ztarget=(5*0.03)/(2*0.3)=0.25。

因此目标阻抗在一定程度上属于看心情。

不管心情如何，总归是算出了一个目标阻抗值，有这就可以用于判断PDN阻抗是否达标。

同样是这样图，我们假设Ztarget是我们计算出的目标阻抗，那么实际我们仿真出来的PDN阻抗在约200K~200MHZ这个范围内都是达不到要求的。

想要优化PDN阻抗值，使其在目标值以下的办法还是挺多的，比如改变层叠之类的。众多方法中，最有效的还是电容。

电容的应用从原理上来说分为两种，一种是并联大量的同类型电容，这个时候可以有效降低电源阻抗，且并不会改变谐振频率。

另外一种则是并联不同容值的电容，使用这种方式可以针对性的优化特定频段，但会引入新的反谐振点。

电容的调整是一个很复杂的事情，不光需要考虑各种类型电容的搭配，还需要考虑实际安装位置带来的影响。这种情况下使用前仿真来评估就显得有些力不从心，复杂的计算还是要交给后仿真。

在后仿真中，可以导入实际的PCB板和我们用到的电容库，让软件自动优化，给出限定条件下的最优解。

来源： 本文转载自PCB设计与信号完整性仿真公众号

审核编辑：汤梓红