您应该在 PDN 中使用什么目标阻抗？

2021-07-10

您应该在 PDN 中使用什么目标阻抗？

在讨论高速设计中的电源完整性时，其他出版物中的许多人经常提到目标阻抗的概念。有些设计足够简单（也足够慢），您可以采用“设置后忘记”的方法来设计功能原型；只要您遵循一些一般准则，电源完整性通常会得到保证，并且可以对设计进行微调以使其达到生产水平。对于更高级的设计，或者如果您正在微调存在电源完整性问题的新板，目标阻抗是您设计中应该考虑的真正考虑因素。

我被问到的一个问题很简单，但我们中许多写电源完整性的人都忽略了这个问题：特定设计或组件的目标阻抗应该是多少？这是一个公平的问题，一些 SI/PI 指南只会告诉您将目标阻抗设置在 1 到 100 mOhm 之间。更好的选择是计算目标阻抗，以确保不会过度设计或设计不足 PDN。计算目标阻抗后，您还需要计算测量（或模拟）阻抗与测量阻抗的偏差。我们将在本文中探讨这两点。

如何计算目标阻抗

您不应在 PDN 中使用单一的目标阻抗值。尽管在确定合适的目标阻抗时需要考虑多个因素，但并非所有这些因素都会在您的设计中优先考虑。设置目标 PDN 阻抗的目的是确保数字 IC 或高频模拟电路中的开关事件不会在 PDN（电源和接地反弹）上产生过大的瞬态振荡。

请记住，在讨论地弹跳和电源弹跳时，IC 中的开关信号会将电流脉冲吸入 PDN，这会激发相关 IC 上看到的电源总线电压的瞬态振荡（电源弹跳）并产生高频在 IC 的输出上看到的瞬态振荡（地弹）。如果您查看上面链接的文章，您会看到一个很好的测量示例，它显示了同一示波器轨迹中的两种效应。

由于我们知道流入 PDN 的电流会在 PDN 的输出端口上产生一些电压波动，因此我们可以通过欧姆定律将流入 PDN 的电流与 PDN 的阻抗和主电源总线上的电压扰动联系起来：

本质上，如果您测量电源总线上相对于 PDN 参考平面的电压，您将测量标称直流电压加上 ΔV。我使用 Δ 符号来表示这些是波动，或者更确切地说是随时间变化的值。由于电源总线在开关过程中会吸收一些 ΔI，而我们想要最小化 ΔV，因此我们还需要最小化 ZPDN。

这比仅仅查看单个大型 IC 更复杂。一些数字设计可以将多个大型 IC 连接到多个电压电平，每个电平的总线与其他组件共享，这些组件也可能以快速脉冲方式汲取电流。因此，我们需要考虑 PDN 的结构，以获得对目标阻抗的合理估计。最好的选择是将系统视为多端口 PDN。

关于多端口 PDN？

多端口 PDN 通常有 1 个输入和 N 个输出连接到主电源总线，因此您有一个Z 参数矩阵而不是单个 PDN 阻抗值。反过来说，您甚至可以拥有一个具有多个功率级别的 IC（参见下面的 BGA 组件），每个级别都需要自己的总线和稳压器。通过这种方式，从技术上讲，您的 PDN 中有多个小节，每个小节都需要大量解耦。

该 IC 接收两种不同电压的电源，每种电压都需要不同的总线来提供电流。

上面的欧姆定律方程现在可以写成矩阵方程，将在每个输出端口测得的电压与流入每个端口的电流相关联。然后，您必须反转这个方程来求解给定容许纹波和电流的阻抗矩阵 [Z]。

常见 PDN 拓扑涉及电源总线上的多个 IC 或子电路。

显然，我们可以花一整篇文章（或更多）来进行整个转换。但是，如果您意识到在 PDN 中的 1 个端口产生的纹波通过基尔霍夫电压定律叠加到 PDN 中的所有其他端口，您可以通过以下过程找到最小纹波值和目标阻抗：

计算在每个端口看到的允许纹波

使用进入 PDN 的总预期电流

使用步骤 1 中的最小纹波值和步骤 2 中的总电流来计算目标阻抗 

这里的想法很简单；只需在整个 PDN 中使用目标阻抗的下限作为您的设计目标，而不是试图将 Z 参数矩阵中的每个条目设计为具有特定值。

计算 ΔV 和 Z

我们现在回到这个对话的关键：计算 ΔV 的允许值的最佳方法是什么？对于 PDN 模型上的给定端口，您可以通过几个选项来设置目标阻抗：

查看 IC 上的内核电压电平，并使用一些安全系数计算内核允许噪声容限内的允许波动。

对于高精度应用，请考虑查看施加在输出上的抖动。这在没有测量的情况下更难确定，可能约为 1 ps/mV。高精度应用可能需要远低于 100 ps 的抖动来确保精度（例如，激光雷达测距和成像）。

计算由于切换期间流入缓冲电路的电流引起的任何输出上的电压波动。为此，您需要组件数据表中的引脚电感值以及任何返回至 GND 的过孔的电感。

接下来，假设您知道高态和低态的电流水平，您现在可以使用确定的纹波和进入 PDN 的最大电流，根据欧姆定律确定目标阻抗：

电源总线上单个电压电平的目标阻抗。

这是您在设计中可以达到的目标阻抗的一个相当保守的值。这是因为您使用的是最大瞬态电流，而大多数其他指南会规定取该值的任意 50%。这整个过程也避免了不必要的准确。通常，如果您想根据欧姆定律计算目标阻抗，则需要使用卷积（在时域中）来获得阻抗脉冲响应，然后进行傅立叶变换以获得目标阻抗谱。相反，上述过程不需要任何积分！

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