PDN设计之电源完整性：高速数字产品的鲁棒和高效设计
定 价：199 元
丛书名：电子电气工程师技术丛书
- 作者：[美] 拉里·D.史密斯（Larry Smith） 埃里克·博加廷
- 出版时间：2019/7/1
- ISBN：9787111630005
- 出 版 社：机械工业出版社
- 中图法分类：TN79
- 页码：
- 纸张：胶版纸
- 版次：
- 开本：16开
本书焦点
电子工业中的电源完整性问题是一个容易混淆的课题——部分原因是不能很好地定义和涉及的问题太广泛，每个问题都有一套属于自己的根本原因和解决方案。这里有一个普遍的共识是：电源完整性领域包括从电压调整模块（VRM）到片上核心电源“轨”以及片上电容。
VRM与芯片之间是封装和印制板上的相互连接，封装和印制板常常载有分立式电容器，这些电容器有与之有关的安装电感。电源分配网络（PDN）是指在VRM和片上VddVss电源“轨”之间的所有相互连接（通常是感性的），以及储能元件（通常是容性的）和损耗机构（阻尼）。
电源完整性是指从芯片看向电路的所有有关的电源特性。信号通过空腔，在印制板和地平面上会产生什么噪声？这是信号完整性问题还是电源完整性问题？由I/O开关电源产生的电压噪声是片上Vcc和Vss电源“轨”完整性问题还是信号完整性问题？最终连接到VRM并通过公共封装电感进入的电流产生的这个噪声有时称为开关噪声或“地跳动”。
信号和电源完整性之间的灰色区域对解决电源完整性具有深远的影响。在印制板上加上去耦电容常常能解决Vdd核心噪声，但是这很少能改善由宽带信号感应的空腔噪声。一般情况下，印制板上的电容器很少或不能改善回路平面的跳动噪声。在一些情况下，产生的并联谐振实际上可能会增加空腔与信号的交调。
解决问题的第一步是清晰地确定问题，然后正确地识别出根本原因。一个准确定义的问题常常只要几步就可求解。对问题高效率求解的前提是基于问题的实际根本原因。
本书聚焦于与Vdd“轨”上噪声有关的特殊的电源完整性问题，Vdd“轨”给片上核心逻辑供电，使其执行相关功能。由片上Vdd“轨”开关信号供电的门与片上其他门进行通信，不需要像I/O一样传输出芯片。由核心有源部分引起的瞬时电流会在Vdd“轨”上产生噪声，有时定义它为“自我攻击”。减小这个问题影响的原理、分析方法和推荐的设计也能应用于其他信号完整性、电源完整性和EMI的问题，但本书的焦点是Vdd“轨”上的自我攻击。
其他电源完整性或信号完整性问题及其解决方法
术语“电源完整性”太复杂，无法解决一般设计中的所有问题。相反，我们需要清楚地识别设法要解决的特殊问题以及对每个特殊问题的最好设计实践。
完整系统设计中的一些次要问题有时也归类为电源完整性问题。
● 由I/O开关、地弹跳在VccVss轨上引起的噪声和开关噪声： Vcc轨上的自我攻击。
● 负载阻抗的改变在VRM上引起的噪声：VRM的自我攻击。
● 信号通过不连续的返回路径引起的信号失真：信号路径的自我攻击。
● 来自供电轨和传输到VRM的噪声，以及板级ＰＤＮ互连上的污染。
● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级ＰＤＮ互连之间的交调，耦合到Vdd轨上。
● 在封装上的电压噪声和来自所有源的板级PDN互连之间的交调，耦合到I/O电源轨上。
● 在封装上的电压噪声和板级PDN互连之间的交调，以及耦合到PDN的一个信号。
这些问题中的每一个都有不同的根源，为减小其影响有最好的不同系列的设计实践。这些课题有些属于信号完整性，有些属于电源完整性。
为了避免大家认为所有电源完整性问题是相同的（一组解应用于所有问题），工程师和设计者应该习惯仔细地描述寻找到的问题而不是使用电源完整性或信号完整性这种大标题来说明。
印刷品、参考文献可提供大量的PDN设计建议。盲目地跟随其中的任何一个都是危险的。不幸的是，很多建议要么是错误的，要么是自相矛盾的。部分原因是它们仅面向上述问题之一，而且不正确地将这些建议广泛用于解决所有的电源完整性问题。
明确问题的特殊性、根本原因，才能找出最好的设计实践。
鲁棒性PDN设计面对的挑战
低劣的PDN设计会导致产品失败。诊断PDN失败的原因是很困难的，因为它们很难重现。有时，失败原因是由一系特殊问题的微码组合引起的，这造成考核PDN质量困难。PDN设计中必须考虑鲁棒性。
除了低阻抗VRM以外，有些印制板的PDN实际上只要求鲁棒性。其他PDN可能要求电容数值的特殊组合并且要安装在特殊的位置，然后仅对鲁棒性提出一定限制。
每个PDN都是唯一的，有自己的内情。每一个都有自己的功能要求、芯片特征、微码和价格上的设计约束、性能、风险和研究周期。仅遵循其他人认为最好的设计原理来有效地设计鲁棒性PDN是很困难的，一个坚实的设计方法起着重要的作用。
在任何工程领域中，对包括电源完整性在内的很多问题的共同回答是“……视情况而定”,回答“……视情况而定”的仅有方法是清楚地定义这个问题，然后对这个特殊问题进行分析，找出根源和不同的解法。
开始就准确高概率地进入PDN的最有效的设计过程（和多数高性能产品设计方法）是基于4个元素的。
● 从建立最好的设计实践开始
● 理解信号与相互连接彼此作用的基本原理——麦克斯韦方程的基本应用原理
● 识别需避免的共同问题和它们的根源
● 对于每个特殊的产品详情和限制，使用有效探索设计领域的举足轻重的设计工具，找到适宜的价格-性能-风险-研发周期之间的折中。
很多课题的目标是在可接受的价格、风险和周期内，找到满足性能目标的可接受设计。
本书为实现电源完整性工程提供
译者序
前言
致谢
第1章电源分配网络工程
11电源分配网络的定义及关心它的原因
12PDN工程
13PDN的鲁棒性设计
14建立PDN阻抗曲线
15总结
参考文献
第2章PDN阻抗设计基本原理
21关心阻抗的原因
22频域中的阻抗
23阻抗的计算或仿真
24实际电路元件与理想电路元件
25串联RLC电路
26并联RLC电路
27串联和并联RLC电路的谐振特性
28RLC电路和真实电容器的例子
29从芯片或电路板的角度观察PDN
210瞬态响应
211高级主题：阻抗矩阵
212总结
参考文献
第3章低阻抗测量
31关注低阻抗测量的原因
32基于V/I阻抗定义的测量
33基于信号反射的阻抗测量
34用VNA测量阻抗
35示例：测量DIP中两条引线的阻抗
36示例：测量小导线回路的阻抗
37低频下VNA阻抗测量的局限性
38四点开尔文电阻测量技术
39双端口低阻抗测量技术
310示例：测量直径为1in的铜环阻抗
311夹具伪像说明
312示例：测量通孔的电感
313示例：印制板上的小型 MLCC电容器
314高级主题：测量片上电容
315总结
参考文献
第4章电感和PDN设计
41留意PDN设计中电感的原因
42简单回顾电容，初步了解电感
43电感的定义、磁场和电感的基本原则
44电感的阻抗
45电感的准静态近似
46磁场密度
47磁场中的电感和能量
48麦克斯韦方程和回路电感
49内部及外部电感和趋肤深度
410回路电感、部分电感、自电感和互电感
411均匀圆形导体
412圆形回路中电感的近似
413紧密结合的宽导体的回路电感
414均匀传输线回路电感的近似
415回路电感的简单经验法则
416高级主题：利用3D场求解器计算S参数并选取回路电感
417总结
参考文献
第5章实用多层陶瓷片状电容器的集成
51使用电容器的原因
52实际电容器的等效电路模型
53并联多个相同的电容器
54两个不同电容器间的并联谐振频率
55PRF处的峰值阻抗
56设计一个贴片电容
57电容器温度与电压稳定性
58多大的电容是足够的
59一阶和二阶模型中实际电容器的ESR
510从规格表中估算电容器的ESR
511受控ESR电容器
512电容器的安装电感
513使用供应商提供S参数的电容器型号
514如何分析供应商提供的S参数模型
515高级主题：更高带宽的电容模型
516总结
参考文献
第6章平面和电容器的特性
61平面的关键作用
62平面的低频特性：平行板电容
63平面的低频特性：边缘场电容
64平面的低频特性：功率坑中的边缘场电容
65长窄腔回路电感
66宽腔中的扩散电感
67从3D场求解器中获得扩散电感
68集总电路中串联和并联的自谐振频率
69探讨串联LC谐振的特性
610扩散电感和源的接触位置
611两个接触点之间的扩散电感
612电容器和腔的相互作用
613扩散电感的作用：电容位置在何时重要
614饱和扩散电感
615空腔模态共振和传输线特性
616传输线和模态共振的输入阻抗
617模态共振和衰减
618空腔二维模型
619高级主题：使用传输阻抗探测扩散电感
620总结
参考文献
第7章信号返回平面改变时，信号完整性的探讨
71信号完整性和平面
72涉及峰值阻抗问题的原因
73通过较低阻抗和较高阻尼来降低腔体噪声
74使用短路通孔遏制腔体谐振
75使用多个隔直电容抑制腔体谐振
76为抑制腔体谐振，估计隔直电容器的数量
77为承受回路电流，需要确定隔直电容器的数量
78使用未达最佳数量的隔直电容器的腔体阻抗
79扩散电感和电容器的安装电感
710使用阻尼来遏制由一些电容器产生的并联谐振峰
711腔体损耗和阻抗峰的降低
712使用多个容量的电容器来遏制阻抗峰
713使用受控ESR电容器来减小峰值阻抗高度
714处理回路平面最为重要的设计原理的总结
715高级主题：使用传输线电路对平面建模
716总结
参考文献
第8章PDN生态学
81元件集中在一起：PDN生态学和频域
82高频端：芯片去耦电容
83封装PDN
84Bandini山
85估计典型的Bandini 山频率
86Bandini山的固有阻尼
87具有多个通孔对接触的电源地平面
88从芯片通过封装看PCB腔体
89空腔的作用：小印制板、大印制板和“电源旋涡”
810低频端：VRM和它的大容量电容器
811大容量电容器：多大的电容值足够
812优化大容量电容器和VRM
813建立PDN生态学系统：VRM、大容量电容器、腔体、封装和片上电容器
814峰值阻抗的基本限制
815在具有一般特性的印制板上使用单数值的MLCC电容器
816优化单个MLCC电容器的数值
817在印制板上使用3个不同数值的MLCC电容器
818优化3个电容器的数值
819选择电容值和最小电容器数目的频域目标阻抗法
820使用FDTIM选择电容器的值
821当片上电容是大的和封装引线电感小的时候
822使用受控ESR电容器是一种替换的去耦策略
823封装上的去耦电容器
824高级主题：同一供电电路上多个芯片的影响
825总结
参考文献
第9章瞬时电流和PDN电压噪声
91瞬时电流如此重要的原因
92平坦阻抗曲线、瞬时电流
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