PDN分析怎么样？

　　PDN分析是所有数字设计工程师的必备工具，能够有效改进设计质量，缩小设计尺寸，降低设计难度。在Altium Designer环境中，CST®的PDN分析器是一个易于安装的扩展应用。弹性的许可证选择，满足不同设计环境需求。
　　一、简介
　　通常称为“红外降噪”，“直流电源完整性”或“PI-DC”的功率传输网络（“PDN”）的DC分析回答了每个数字（或模拟）设计人员应该提出的一些基本问题， 回答：
　　源头和负载之间是否提供足够的金属，以便为每个负载提供足够的电压？
　　足够的电源和地面形状？足够的通孔，还够大吗？
　　可以巧妙地优化PDN形状吗？
　　设计中最有可能加热（烧毁）的部分？
　　用地面形状做了一些奇怪的事情吗？
　　许多数字设计师都意识到需要精确的信号完整性分析，或者了解其PDN的AC方面（例如“我需要多少个去耦电容器”）至关重要，但是很少考虑 他们的DC PDN（“PI-DC”）分析。 然而，PI-DC分析也是至关重要的，因为它可以提供对设计质量的重要洞察，并节省宝贵的设计基板面和层次，确保数字设计的成本效益。 它所回答的根本问题是比较简单的：是否在电源和所有负载之间提供足够的金属（在例子中几乎是铜），以便为这些负载提供足够的电力？ 但是，在今天的小型综合设计世界中，准确地回答这个问题可能意味着成功与失败之间的差异。
　　不久前，数字设计主要是大型因素：台式个人电脑和大型服务器。在这些设计中，整个金属层可以专用于电力输送，确保源和负载之间的最小电压降。 可以使用保守的经验法则来估计需要多少金属，如果足够的区域专用于电力输送，则可能没有什么后果。 数字设计师只能确保直流电源的传输是“足够的”，很少考虑优化功率传输形状以最小化其面积和层数。
　　二、PI-DC工具提供的数据
　　PI-DC工具提供的第一个数据是由于电网的电阻率而从源极到负载的电压降。 由于无限大的电力“飞机”，我们不能再认为它为零。在缩减设计时，电源”飞机“的概念可能不适用。 虽然我们可能有一个主要用于电力传输的层，但该层可能会分解成许多部分（网），在设计周围提供独特的电压。
　　PI-DC告诉我们每个网络中引起多少电压降，使我们能够为每个电压网分配适当的面积。 图1显示了从其源（U4，VRM）到负载（U1，FPGA）沿着其2层路径（通孔隐藏在此视图中）的1.8V功率形状的典型三维电压曲线图。 仔细检查电压情况显示如下：
　　1）U4（1.7V，从标称1.8V降低5％）和U1（1.69V）之间的10mV下降。
　　2）从U4到FPGA电压环的单轨是电压降的最大来源。
　　3）某些通孔有电压降：某些通孔顶部的网络颜色不如底部。
　　4）在源和去耦电容C3之间没有预期的直流电压降。 电容器被视为“开放”用于DC分析。
　　
　　图1：从电源（U4）到单个负载（U1，FPGA）的电压图
　　PI-DC工具还将在感兴趣的形状内报告电流密度（“J”），从而允许设计者专注于对具有最高电流密度（“夹点”/最大值）的那些区域进行校正（如果需要）。 请注意，这一情节会影响我们从电压图中得出的结论，或许在一些考虑中以更直接的方式表明。 不幸的是，通常没有单个阈值设置为电流密度的限制，因此通常只使用相对值。 Doug Brooks和Johannes Adam在其“Trace Currents and Temperatures Revisited”（Doug Brooks，nd）的论文中表明，热性能不仅取决于电流密度，而且还取决于系统的散热性，甚至形状的横截面。）
　　
　　图2：电源（U4）和单负载（U1，FPGA）之间电网的电流密度图
　　没有PI-DC工具，设计人员可能会根据功率传递形状所携带的电流来使用规定特定宽度的常规规则。 这种方法至少有两个问题：
　　1）经常使用与源和负载之间的距离无关的相同的最小宽度是没有意义的。例如，对于6英尺和100英尺的延长线，不要使用相同的标准线。
　　2）沿整体长度使用相同的宽度不仅浪费了电路板的不动产，而且也不代表电力输送形状的最有效设计。
　　PI-DC工具允许设计人员根据长度适当地调整其功率传递形状，并在必要时缩小短距离的功率传输形状，并通过扩大板级空间更多的形状来补偿这些狭窄。 PI-DC工具对于发现电力网的最佳形状至关重要。
　　此外，现在的地面形状不能再被认为是无限的 ：今天的设计通常会限制对地面分配的面积。 这些对地面的限制可能会导致“地面”上的显着电压，我们不能再假设它为零。 而且，地电压问题比电网更为复杂在于地网上任何一点的实际电压将是由各种电网引起的电压的叠加。
　　例如，设计时可将1.8V和3.3V两者都传送到设备。 虽然两个电源网络上的电压在理论上是独立的，但器件将看到其接地引脚上的电压，这是由1.8V和3.3V电流引起的电压的加法。 准确地了解和建立这种关系是至关重要的。 好消息是，对于DC而言，叠加是相当直接的，只是对相反极性的供给的加法（或减法）是足够的。 但是设计时应该意识到，任何地点的地面形状尺寸都必须适应来自多个源的电流，而功率形状尺寸更为直接。
　　PI-DC工具应能够为设备使用该设备的接地电压提供直流电压参考电压。 相对于任意“接地”点（例如电压源）的电压通常是无意义的。 地面电流可能会在地面网上引起显着的电压，这必须在电力输送网络的直流分析中得到理解。
　　PI-DC工具还提供了有价值的洞察力，需要多少个通孔，以及多大的功率传递。 虽然这似乎是一个微不足道的工作，但电源通孔通常会在所有层次上消耗有用的基板面，阻止在其分配的电力层之上和之下的层上的路由，以及使用太多或过大的通孔是今天的设计不可能的一个浪费。 通过分配进行功率传递过度保守的一个特别讽刺的结果是，这些通孔可能穿透另一个电源或接地平面，从而导致设计的问题比它们解决的问题更多。
　　三、对温度的影响
　　大多数PI-DC工具不能直接提供当前的热效应，它们加热了金属的程度。 鉴于电流和功率之间的I2R关系，这可能是至关重要的。即使电流较小，小电阻也可能耗散大量能量，导致电介质材料或导体的局部热点和相关故障。 但是，PI-DC工具确实提供了电流和接地形状的电流密度信息，从而使设计人员可以优化低电流密度，从而降低功耗。
　　IPC规范 2152（之前的2221）提供了避免问题的指导，提供可接受的升温的最小迹线宽度。 PCB设计师经常滥用这一点，输入非常保守的升温值（例如1°C）然后使用相应的宽轨迹宽度作为从源到所有负载的整个PDN形状的最小宽度。这样的应用规格就迫使设计人员将更多的区域分配给电力供应，比必要的，消耗有用的基板面或需要更多的设计层。 为了创造最有效率的电力输送设计，IPC-2152应该被很好的理解，不能盲目应用。 设计者应用规格，更周到地，利用PI-DC工具提供的信息，可以减少PDN区域，同时确保安全的设计。
　　在使用IPC-2152时，不要使用任意低的允许温度上升值，数字设计师应使用表示介电材料和金属可以适应的温升值，而不会造成损坏或故障。 例如，图3显示了如何允许45°C的温度升高而不是仅仅1°C，允许设计者将其最小迹线宽度从0.3“（红色）降低到仅0.02”（蓝色），对于1盎司的2A电流。 铜。 然后可以使用PI-DC工具来确保在使用最小宽度时满足所有负载的电压要求。
　　
　　图3：轨迹宽度从0.3降低至0.02”使用ipc-2152
　　不幸的是，热问题非常复杂，即使有热模拟工具可用，由于问题的复杂性，只能提供有限的洞察力。 准确的答案需要准确的模型，为各种组件，如PCB材料，层数，铜密度，各种组件的发热和耗散，设计周围的空气流，环境条件等导致系统的热性能有所贡献 数字设计师通常被迫保守，但在考虑热效应时应考虑一些关键方面：
　　1）并非所有的设计都是热的。 已知存在于具有低功率组件的凉爽环境中的设计应该是例如，在非常热的外壳中，需要比一个消耗大量电力的热效应更少的适应性。
　　2）设计中并不是所有的区域都是热的。 在散热最差的地方应该特别小心，例如在外层和非常热的部件下方或附近。 远离热组件的区域通常不受热效应的影响，因为功率更有效地消散。 通过突击传送用狭窄的卷须喂养一个有电力的设备是灾难的秘诀。
　　3）电流密度增加了多少？ 加热是与IR2成比例的形状所消耗的功率的函数。 应特别注意电流密度图，并应在电流密度最大的地方添加铜。 如前所述，由于热效应取决于许多其他因素，因此可能无法设置“最大电流密度”限制，但PI-DC允许设计人员突出显示最可能的问题领域并衡量相对“不良” “设计领域。
　　4）外层还是内层的形状？ IPC-2152数据表明，内层（带状线）比微带层更容易散热（尽管这可能取决于迹线上的空气流量，这将增加对流冷却 - 可能会有一些微带痕迹消散热）。
　　5）热要求将强烈依赖于所用的材料。 Flex设计（特别是那些积极灵活的设计）通常比刚性PCB更耐受高温耐受性。
　　6）附近是否有比较冷的铜，这会比电介质材料更好地消散热量？
　　四、如何避免PI-DC无用输入/无用输出
　　当然，PI-DC工具必须提供准确的结果，如果它将是有用的。 该工具的准确性不仅仅是所使用的复杂的2或3D建模引擎的功能，而且是馈送到仿真中的假设。 使用这些工具的人员必须非常熟悉进入工具的关键假设和参数。
　　“正确”的第一个参数是设计中使用的金属的电导率。 虽然这看起来很简单，但它比大多数人意识到更多的参与。 大多数电源和信号完整性工具，例如，假设印刷电路板（PCB）的金属使用“铜”，导电率为5.88e7S / m。 然而，行业数据表明，PCB中使用的电沉积“铜”比纯铜显着更少导电，在25°C时仅为4.7e7S / m。 如果验证和模拟结果不好，应检查金属电导率。
　　还必须根据设计的实际工作温度调整电导率。 例如，铜的电导率每摄氏度下降0.4％。 在125°C工作的铜设计的金属比25°C的导电率低40％。 必须在仿真中理解这一点，如果它是在一个明显的假设下运行的话，那么它就没有任何好处。（注意：对于在极低或高温下工作的设计，即使温度系数的线性度为0.4％/°C，必须检查预期的范围）。
　　另一个容易“错误”的基本假设是通孔的大小。 许多PCB设计工具只使用一个值来表示特定通孔的大小，而且该数字代表什么是不明确的。 通常假设通孔为固体柱，但通常不准确，它们可能不完全熔化，因此可以是内径和外径（分别为I.D.和O.D.）的空心柱。 通孔的实际横截面面积取决于这两个尺寸 - 一个大的但非常中空的圆柱体可以具有比圆形小圆柱体更小的横截面面积。 对于通常用于电力输送的通孔，大多数人认为，如果仅为通孔提供单一值，该值表示钻头尺寸（外径）。 假定通孔完全熔化，或由固体柱表示。 这个假设可能无效，给出了一个惊人的结果。
　　如果PCB外层用于电力输送，则它们代表一个特别麻烦的建模项目。 PCB外层上的铜的厚度是电镀厚度的函数，并且可以在整个板上显着变化。 如果用于电力输送，请确保测量外层的厚度，并且模拟结果与实验室测量不符。
　　最后，正确地代表负载似乎在第一，但不是。 设计人员可能认为，对于像电阻或二极管这样的无源负载，负载最好被建模为电阻，而诸如FPGA之类的有源器件应该被建模为电流吸收器。 然而，当它们将有源组件建模为电流吸收器时，可能会将最大电流（Imax）用作当前绘图。 当执行PI-DC模拟以测量PDN的电压降时，这很难证明，并可能导致过度悲观的结果。 最大电流消耗可能仅在施加最大电压（Vmax）时发生。 我们通常在电压范围的下限模拟，电流消耗应反映为获得准确的模拟结果。 在电压降仿真期间，有效负载的更合理的模型可能是一个电阻，其值是器件额定电压和电流Vnom / Inom的函数。
　　另一方面，一些设计者考虑具有最大的电流密度值，他们试图避免热考虑（而不是用于电气考虑的最小电压电平）。 对于使用PI-DC的最大电流密度模拟（对于热考虑），Vmax应该用于源，Rmin用于被动负载，Imax用于有效负载。 这将给出可能的最大电流的更准确的表示。
　　当使用PI-DC工具时，了解进入仿真的所有固有假设并验证这些假设是准确的，否则结果可能是无意义的。
　　五、有效结果
　　至关重要的是任何设计都经过适当的验证，以确保模拟的准确性和馈入其中的参数。幸运的是，这对于PI-DC是相当直接的。通常可以容易地测量每个负载的电压，包括使用a地方参考。也许最具挑战性的方面是：
　　1）如果地面上的电压可能是重要因素，则需要确保所有负载都在消耗最大功率的方法。
　　2）正确理解热效应电阻率。如果在其极限下同时运行所有载荷是不实际的，则可能需要叠加。在这种情况下，相对于模拟中使用的相同参考，挑战将是测量每个负载上的“地”电压。对于散热方面，有必要了解功率形状的实际温度，以便计算正确的金属电导率，其随着温度的变化而变化。这需要大多数验证实验室通常没有发现的仪器，如热电偶，红外测温仪或IR温度传感器。
　　如果测量的电压与仿真不匹配，则每个仿真假设和结果都必须进行验证。 我们已经尝试提供足够的信息来确定适当的假设，但如何检查结果？
　　PI-DC工具必须正确的最基本的数据是源和负载之间的电阻，通常不直接提供。 但是，构建一个测试电路相当容易，它将提供一个可以与裸设计的实际欧姆计测量值进行比较的值。 如果源被建模为0V电池并且负载被建模为1A电流吸收器，则负载电压直接表示源极和负载之间的电阻（忽略电压的符号）。 例如，下面的例子（图4）显示了使用PI-DC模拟器确定源（U4针脚2，功率为J1，针脚2和3为地面）和负载（U1）之间的电阻的结果。
　　
　　图4：用于测量电阻的PI-DC设置（1V =1Ω）
　　结果表明U1的PDN中存在30mΩ的电阻（注意图4中U1的30mV，显示为“-0.03V”）。 为了配合实验室，您可以在U4针脚2和J1针脚2和3（例如大块金属）之间放置0欧姆“短”，并测量电源和地脚之间的电阻U1。 30mΩ以外的读数表示模拟中的错误（您可能需要使用4端子传感等特殊技术来测量这些低电阻）。
　　如果需要区分电源和接地层的电阻，可以通过分析该测试电路中的每个电压来实现。 请注意，图5中功率形状有27mΩ（深蓝色表示27mV，=27mΩ），图6中地面形状为3mΩ（红色表示）。
　　
　　图5：功率形状电压图测量电阻（1V =1Ω）
　　
　　图6：接地形状电压图测量电阻的结果（1V =1Ω）
　　在验证过程中考虑的一个关键因素是电阻率由于温度的不同而不同。 例如，铜的电阻率通常增加约0.4％/摄氏度。 与25℃的室温相比，对于75℃的设计，PDN的电阻可以增加20％。 这也可以是一个优点 - 如果系统的电压满足在满载下运行时的预期，设计人员保证铜不会比预期更热，从而降低由于该形状的意外温度导致的灾难性故障的可能性。