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(多图) PCB特性影响电源分配网络(PDN)性能

Steve Sandler?? EDNC编译?? 2014年10月23日 ?? 收藏0
电源分配网络(PDN)的基本设计规则告诉我们,最好的性能源自一致的、与频率无关的(或平坦)的阻抗曲线。这是电源稳定性非常重要的一个理由,因为稳定性差的电源会导致阻抗峰值,进而劣化平坦的阻抗曲线,以及受电电路的性能。

由于没有阻抗路径是完全平坦的,所以我们需要做一些设计调整。本文旨在帮助你做出一些对系统性能影响最小的折衷。

源阻抗应该匹配传输线阻抗。

一般来说,这是S参数测量和所有射频设备的基本前提。源阻抗(最常见的是50Ω)连接到阻抗与源匹配的同轴电缆,负载也端接到相同的阻抗。这种做法实现了完美的平坦阻抗,不管是从源看到负载还是从负载看到源都是一致的。

稳压器的输出阻抗可以被认为是一个源,而PCB层可以看作是一根传输线。后端去耦电容就是负载。

传输线基本原理

当频率低于传输线谐振频率时,传输线特征阻抗可以用电感和电容项定义。电容可以在传输线远端没有端接时测量。电感可以在传输线远端短路时测量。传输线的特征阻抗取决于这两个测量结果,即:

PCB特性影响电源分配网络性能(1)

电感和电容交叉点的频率就是特征阻抗,等于:

PCB特性影响电源分配网络性能(2)

正确匹配的传输线呈现完全平坦的阻抗曲线,其幅度等于特征阻抗。不正确端接的传输线呈现为电容或电感性质,在传输线谐振频率的倍数处会产生许多谐振和抗谐振频率。如果传输线是电容性质,那么抗谐振首先发生。如果传输线是电感性质,那么谐振先发生。在两种情况下,首次谐振或抗谐振的频率为:

PCB特性影响电源分配网络性能(3)

图1用50Ω同轴电缆仿真显示了这些关系。未端接终端阻抗是在电缆末端开路、短路和匹配端接的情况下测量的。

图1:传输线近端阻抗开路(蓝色)、短路(红色)和正确匹配(绿色),另外一种有趣的关系。
图1:传输线近端阻抗开路(蓝色)、短路(红色)和正确匹配(绿色),另外一种有趣的关系。

在传输线和源不匹配的情况下,有两种可能的解决方案,具体取决于端接电阻是大于还是小于特征阻抗。如果端接电阻小于传输线的特性阻抗,那么抗谐振峰值会超过端接电阻。这些阻抗峰值被定义为:

PCB特性影响电源分配网络性能(4)

谐振最小值等于端接电阻。

如果端接电阻大于传输线的特征阻抗,那么谐振峰值等于端接电阻。抗谐振最小值被定义为:

PCB特性影响电源分配网络性能(5)

利用前面端接电阻分别是24.9Ω和210Ω的仿真模型可以显示这些关系,图2中端接电阻是匹配的。

图2:传输线未端接终端阻抗24.9Ω(蓝色)、210Ω(红色)和正确匹配(绿色)。
图2:传输线未端接终端阻抗24.9Ω(蓝色)、210Ω(红色)和正确匹配(绿色)。

这些关系在图3的对端接24.9Ω和210Ω的50Ω同轴电缆测量中得到了确认。

图3:对端接210Ω(红色)和24.9Ω(蓝色)的50Ω同轴电缆的测量结果。
图3:对端接210Ω(红色)和24.9Ω(蓝色)的50Ω同轴电缆的测量结果。

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电源分配网络? 阻抗匹配? 特征阻抗? PCB?

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