當前位置:首頁 > 公眾號精選 > 工程師看海
[導讀]SI(信號完整性)研究的是信號的波形質量,而PI(電源完整性)研究的是電源波形質量, PI研究的對象是PDN(Power Distribution Network,電源分配網(wǎng)絡),它是從更加系統(tǒng)的角度來研究電源問題,消除或緩解電源噪聲,滿足負載對不同頻率電流的需求,為負載提供干凈、穩(wěn)定、可靠的電源,和SI一樣,PI也是PCB工程師的基本要求之一,拉線拉的好不好,PDN是重要考核方向之一。


SI(信號完整性)研究的是信號的波形質量,而PI(電源完整性)研究的是電源波形質量, PI研究的對象是PDN(Power Distribution Network,電源分配網(wǎng)絡),它是從更加系統(tǒng)的角度來研究電源問題,消除或緩解電源噪聲,滿足負載對不同頻率電流的需求,為負載提供干凈、穩(wěn)定、可靠的電源,和SI一樣,PI也是PCB工程師的基本要求之一,拉線拉的好不好,PDN是重要考核方向之一。

前文有詳細介紹信號完整性,本節(jié)是介紹電源完整性,二者有什么差異呢?SI的分析基礎是傳輸線,而PI的分析基礎是傳輸平面,SI的常見整改方法有修改走線寬度、長度、參考層,而PI的整改方法有修改電源平面/地平面的走線、優(yōu)化匹配電容器值、電容數(shù)量或安裝方式等。

在手機基帶硬件設計中,或者其他電路系統(tǒng)中,PDN應該是最復雜的互聯(lián)結構,我也建議新手從電源開始,這里的電源包含兩個方面,第一個方面是電源結構基礎,包括BUCK、LDO等電源架構,以前的文章已經(jīng)有詳細介紹,通過電源樹(power tree)可以基本了解手機上各模塊的電源需求,以書籍《從器件認知到手機基帶電路設計》的5.3 power path章節(jié)中的電源結構為例,整理得到下圖的power tree。

注意:圖中的數(shù)據(jù)只是示例,具體還是要以實際電路為準,從上面的電源樹中,就可以挖掘出很多信息,比如對功耗敏感的LDO,只有U5和U6效率可以,其他LDO效率都很低,這就需要再優(yōu)化電源結構,提供電源利用率,還有其他信息可以挖掘,前文已經(jīng)有介紹,這里不再贅述。


第二個方面便是PDN,PDN可以保證整個系統(tǒng)工作的有效性,避免負載在復雜工作條件下,電壓波動超標,導致系統(tǒng)異常,由此方能完成從電源源端到互聯(lián)鏈路最終到負載的完整設計,深刻了解電源后會讓你對手機整體設計有個總的印象,會對整個硬件系統(tǒng)有更加深刻的認識,往后做充電、音頻、屏幕相機、傳感器,要從容的多。

上述兩個方面,前者是電源工程師的重點,后者是電源完整性工程師的重點,相比于電源工程師,PDN更關注電源路徑及終端,PDN鏈路起始于電源模塊VRM(voltage regulator model)包括路上的PCB走線、電容、過孔, package和Die電容等,鏈路紛繁復雜,需要以系統(tǒng)性角度來分析PDN問題,并優(yōu)化PDN,最終達到為芯片提供穩(wěn)定干凈的電源的目的。


我們在設計PDN時,關注直流和交流兩部分。

直流部分即△V=△I*R,從VRM到IC是有串聯(lián)電阻存在的,通過直流電時就會產(chǎn)生壓降,比如1A的電流通從VRM到達負載,線路電阻是10mΩ的的話,就會產(chǎn)生1*0.01=0.01V的壓降,這個壓降就是常說的IR drop,負載電流不是一個固定值,是不斷在變化的,因此IR drop也是一個變化值,比如當負載在2A工作時,那么2*0.01=0.02V,就會產(chǎn)生0.02V的壓降,這和前文中介紹LDO的走線情況很像。


但是負載不會穩(wěn)定的工作在一個電流值,比如玩游戲時,CPU會進行各種復雜的運算,GPU會進行復雜的渲染,這些芯片內部的開關都在高速工作,使得其從電源抽取的電流變的很復雜,分析這復雜的時變電流,就不能用電阻了,就需要引入和時間和頻率相關的參數(shù),即阻抗Z(阻抗=電阻+容抗+感抗),電壓的波動是由電流的波動引起的。

我們再回到經(jīng)典的計算公式△V=△I*R,現(xiàn)在稍微改變一下,那么就變成了△V=△I*Z,R是常數(shù)與頻率無關,而Z就與頻率有關了,△V是電流改變時引起的電壓變化量,如果△V太大了,超出了負載允許的電壓波動,那就是危險的事情了,通常負載能容忍的電壓波動是典型值的5%或3%(具體以實際負載的手冊為準),因此電壓波動就避免超過這5%或3%。比如下圖中,負載需要0.75V的電壓,假設負載最大能容忍3%的電壓波動,即最大能接受0.75*0.03=0.0225V的電壓波動,而實際電壓波動僅有0.015V,這就滿足負載的需求。


我們再來看公式△V=△I*Z,簡單變形得到下面公式

那么只要我們實際電路的PDN阻抗Z足夠小,Z小到一定程度后,電流波動引起的電壓波動(△I*Z)就會小于△Vmax,那么此時的阻抗就是目標阻抗Ztarget,所以我們設計PDN的原理就是通過優(yōu)化鏈路上的阻抗Z,使它低于目標阻抗Ztarget,這樣就保證電壓可以滿足負載的需求了,簡言之,就是通過約束阻抗來約束電源波動,我需要知道目標阻抗,并且要知道線路電容上那些電容的具體型號,而且還需要精準的仿真,才能得到可靠的設計。

比如上圖就是阻抗頻率曲線,如果負載工作頻率單一,只以一個固定的頻率工作,假設工作電流是一個單一頻率的正弦電流,那么阻抗優(yōu)化就變的簡單了,只要這個頻率的阻抗低于目標阻抗就行,但是實際情況很復雜,我們不知道復雜的具體工作頻率,所以為了保險起見,我們控制的是一定頻段內的阻抗,而不是直流或單一頻率的阻抗,這看起來是一種過設計,但是確實非常安全的設計。藍色曲線就是我們的目標阻抗,我們要做的就是優(yōu)化這一頻段內PDN阻抗(Feffective頻率內),使得實際紅色阻抗在負載要求的頻帶內低于目標藍色阻抗。

PDN的基本概念和原理就先介紹到這里,下一節(jié)介紹相關PDN優(yōu)化策略,用于指導實際PCB布局布線和電容器件的選型優(yōu)化。


本站聲明: 本文章由作者或相關機構授權發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點,本站亦不保證或承諾內容真實性等。需要轉載請聯(lián)系該專欄作者,如若文章內容侵犯您的權益,請及時聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車的華為或將催生出更大的獨角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

加利福尼亞州圣克拉拉縣2024年8月30日 /美通社/ -- 數(shù)字化轉型技術解決方案公司Trianz今天宣布,該公司與Amazon Web Services (AWS)簽訂了...

關鍵字: AWS AN BSP 數(shù)字化

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國汽車技術公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車工程師從創(chuàng)意到認證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車。 SODA V工具的開發(fā)耗時1.5...

關鍵字: 汽車 人工智能 智能驅動 BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來越多用戶希望企業(yè)業(yè)務能7×24不間斷運行,同時企業(yè)卻面臨越來越多業(yè)務中斷的風險,如企業(yè)系統(tǒng)復雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務連續(xù)性,提升韌性,成...

關鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對日本游戲市場的投資。

關鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會開幕式在貴陽舉行,華為董事、質量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關鍵字: 華為 12nm EDA 半導體

8月28日消息,在2024中國國際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會上,華為常務董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語權最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關鍵字: 華為 12nm 手機 衛(wèi)星通信

要點: 有效應對環(huán)境變化,經(jīng)營業(yè)績穩(wěn)中有升 落實提質增效舉措,毛利潤率延續(xù)升勢 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務引領增長 以科技創(chuàng)新為引領,提升企業(yè)核心競爭力 堅持高質量發(fā)展策略,塑強核心競爭優(yōu)勢...

關鍵字: 通信 BSP 電信運營商 數(shù)字經(jīng)濟

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺與中國電影電視技術學會聯(lián)合牽頭組建的NVI技術創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會上宣布正式成立。 活動現(xiàn)場 NVI技術創(chuàng)新聯(lián)...

關鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會上,軟通動力信息技術(集團)股份有限公司(以下簡稱"軟通動力")與長三角投資(上海)有限...

關鍵字: BSP 信息技術
關閉