摘要：由于產(chǎn)品的低功耗的要求，印刷上的電源分布網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)已經(jīng)成為當(dāng)下最熱門(mén)的話題之一。與高速通道設(shè)計(jì)一樣，PDN 設(shè)計(jì)也已成為PCB 設(shè)計(jì)中的一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。 因此，在PCB設(shè)計(jì)流程中電源完整性（PI）分析像信號(hào)完整性分析一樣變得越來(lái)越重要。由于設(shè)計(jì)選擇以及分析技術(shù)的多樣性，復(fù)雜電路的PDN 設(shè)計(jì)面臨著許多挑戰(zhàn)。過(guò)去的SI 分析大都是后驗(yàn)證分析，但如今已經(jīng)演變?yōu)榍胺抡嬉?guī)則驅(qū)動(dòng)的設(shè)計(jì)方法。這種設(shè)計(jì)方法避免了后驗(yàn)證方法中不斷重復(fù)的分析-修正-再分析的循環(huán)過(guò)程。Allegro 提供了一種全新的PDN 分析方法。這種方法采用了傳輸線法（TLM）和矩量法（MOM）的混合技術(shù)，它與設(shè)計(jì)環(huán)境緊密結(jié)合在一起從而使PDN設(shè)計(jì)和分析能在同一環(huán)境中進(jìn)行而不需要進(jìn)行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換或設(shè)計(jì)環(huán)境切換。大約二十年前，微處理器工作在數(shù)兆赫茲的時(shí)鐘頻率下，5V 供電邏輯使得百毫伏量級(jí)的噪聲也不會(huì)引起邏輯錯(cuò)誤。只需要保證每個(gè)電源管腳安放一個(gè)去耦電容就可以滿足芯片對(duì)電源的需求，電磁輻射也不是設(shè)計(jì)人員需要重點(diǎn)考慮的問(wèn)題。系統(tǒng)的電源設(shè)計(jì)沒(méi)有任何挑戰(zhàn)，設(shè)計(jì)人員只需要憑借經(jīng)驗(yàn)和遵循簡(jiǎn)單的規(guī)則就可以完成電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。隨著元件時(shí)鐘頻率的不斷提升以及更多功能集成于芯片內(nèi)部，芯片的功耗在不斷增加，同時(shí)芯片制造工藝的進(jìn)步使得芯片供電電壓在不斷下降，而且，芯片集成度的增加導(dǎo)致同一個(gè)芯片需要更多的電源種類(lèi)，各種電源域增加了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)難度。同時(shí)，芯片本身對(duì)電源波動(dòng)的敏感度也在增加，直接減少了電源系統(tǒng)的設(shè)計(jì)裕量。保證系統(tǒng)電源性能的電源完整性設(shè)計(jì)（PI）像信號(hào)完整性設(shè)計(jì)以及電磁兼容性設(shè)計(jì)一樣，逐漸成為業(yè)界所關(guān)注的焦點(diǎn)。電源完整性設(shè)計(jì)方法也由過(guò)去憑借產(chǎn)品設(shè)計(jì)人員經(jīng)驗(yàn)和規(guī)則的定性設(shè)計(jì)方法逐漸轉(zhuǎn)變?yōu)槔酶鞣N仿真，測(cè)量工具進(jìn)行系統(tǒng)的仿真，測(cè)量的定量式的設(shè)計(jì)方法。本文借助于Allegro PCB SI 的電源分布網(wǎng)絡(luò)（PDN）仿真分析功能，提出了一種PDN 的仿真設(shè)計(jì)流程，并通過(guò)實(shí)際測(cè)量驗(yàn)證了仿真結(jié)果的準(zhǔn)確性。2. 電源分布網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)流程芯片對(duì)PDN 的基本要求是：在已知芯片電流波動(dòng)的情況下，為給芯片提供一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定的電源，PDN 的阻抗需要在從直流到某個(gè)最高頻率之間的整個(gè)頻帶上低于某個(gè)目標(biāo)值。為實(shí)現(xiàn)這一目標(biāo)，PDN 依靠電源模（VRM），板上去耦電容，PCB 電源/地平面間分布電容，封裝上電容以及片內(nèi)電容等多個(gè)功能元件實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻段內(nèi)的低阻抗。PDN 不僅要為芯片提供干凈的電源，通常還要作為信號(hào)的參考平面/路徑，此外，還應(yīng)盡量減少電源/地平面的噪聲，進(jìn)而減少電源網(wǎng)絡(luò)的EMI 輻射。正是由于PDN 的多種功能，增加了PDN 的設(shè)計(jì)難度：1. 不斷增加的各種電源種類(lèi)對(duì)電源平面的劃分提出了挑戰(zhàn)；2. 電源噪聲的不確定性和多樣性為電源拓?fù)涮岢隽烁叩囊螅?. 芯片對(duì)電源需求不準(zhǔn)確以及數(shù)據(jù)不完備為電源設(shè)計(jì)增加了障礙。正是由于當(dāng)前PDN 功能的多樣性帶來(lái)了PDN 設(shè)計(jì)的復(fù)雜性，傳統(tǒng)的簡(jiǎn)單的依靠經(jīng)驗(yàn)公式和規(guī)則的定性的設(shè)計(jì)方法已經(jīng)不能滿足復(fù)雜小裕量PDN 的設(shè)計(jì)要求。為保證PDN 設(shè)計(jì)的質(zhì)量，需要一套完整而高效的設(shè)計(jì)流程確保在產(chǎn)品設(shè)計(jì)的各個(gè)階段快速而準(zhǔn)確的考量PDN 設(shè)計(jì)的有效性，不可避免的需要借助于各種仿真、測(cè)量工具定量的評(píng)價(jià)PDN 的性能。2.1 PDN 設(shè)計(jì)流程與信號(hào)完整性仿真設(shè)計(jì)流程類(lèi)似，PI 設(shè)計(jì)流程也可以分為前仿真，后仿真，測(cè)量驗(yàn)證三個(gè)階段。如圖1 所示：圖1 PDN 設(shè)計(jì)流程前仿真的主要任務(wù)是：1. 疊層設(shè)計(jì)；2. 電源/地層銅厚選擇；3. 去耦電容數(shù)量、容值以及位置選擇；4. 過(guò)孔尺寸及出線方式選擇；5. VRM 感應(yīng)線位置優(yōu)化。后仿真的主要任務(wù)是：1. 去耦電容優(yōu)化；2. 定位過(guò)細(xì)的“頸線”；3. 定位電流分布的熱點(diǎn)。是通過(guò)實(shí)際的上板測(cè)量驗(yàn)證仿真的準(zhǔn)確性。貫穿于PI 設(shè)計(jì)流程的PI 仿真分析的主要方法包括：直流壓降分析、交流分析以及瞬態(tài)分析。下面結(jié)合使用Allegro PCB SI 進(jìn)行PDN 分析的實(shí)際案例對(duì)這幾種分析方法進(jìn)行介紹。