PDN设计之电源完整性图书分享

在当今高速、高密度的电子设计领域，电源完整性（Power Integrity, PI）已成为决定产品成败的关键因素。一个稳定、可靠的电源分配网络（Power Distribution Network, PDN）是确保电路正常工作的基础。然而，PDN设计常常充满了挑战，许多工程师在面对压降、噪声和电磁干扰等问题时感到棘手。今天，老wu这里分享一本该领域的权威著作——《PDN设计之电源完整性》（英文原书名：《Principles of Power Integrity for PDN Design》），这本书由业界专家 Larry D. Smith 和 Eric Bogatin 共同撰写，由机械工业出版社引进出版，陈会/张玉兴译，ISBN:9787111630005。

随着芯片工作电压的不断降低和电流的急剧增加，维持电源轨的稳定变得愈发困难。例如，大型ASIC或FPGA的核心电压可能低于1V，而瞬时电流需求可达30安培甚至更高。在这样的要求下，如何在整个频率范围内保持毫欧级别的低阻抗，是每个硬件工程师都必须面对的难题。不稳定的PDN不仅会影响电路的性能，还可能导致系统功能失常、甚至永久性损坏。

市面上关于电源完整性的书籍琳琅满目，但由Larry D. Smith和Eric Bogatin合著的这本书最大的特点在于，它成功地将一个复杂的主题以一种清晰、易于理解的方式呈现出来，避免了繁重的数学推导，强调了物理概念和工程实践。

本书的两位作者是信号完整性和电源完整性领域的领军人物。Larry D. Smith 在IBM、Sun Microsystems和Altera等公司拥有超过30年的电子、系统和PDN设计经验，他构建了当今最流行的PDN系统设计方法。另一位作者Eric Bogatin在信号完整性领域同样享有盛誉，他撰写的《信号完整性与电源完整性分析》是该领域的畅销教科书。二位专家的强强联合，为本书的权威性和实用性提供了坚实的保障。

本书核心内容概览

这本书内容全面，共计786页，十章内容，循序渐进，犹如一本为电源完整性从业者量身定制的培训手册。其核心内容涵盖了：

- PDN生态系统：书中将PDN定义为“从Die上的焊盘到VRM焊盘的整个互连链路”，并强调了在目标频率范围内实现低阻抗的重要性。
- 阻抗分析：深入探讨了阻抗曲线的重要性，以及串联和并联RLC电路的特性如何影响PDN的性能。
- 电容器的奥秘：详细研究了多层片式电容器（MLCC）的特性，以及如何通过它们的组合来管理阻抗曲线上的峰值。
- 电源和接地平面：阐述了电源和接地平面的属性，尤其是作为平面最重要特性的扩展电感。
- 信号完整性的关联：探讨了PDN在为信号返回电流提供低阻抗路径方面对信号完整性的重要影响。

目标读者

这本书的受众非常广泛，几乎涵盖了所有参与PDN设计的工程师，包括：

- 产品、电路板和芯片设计师
- 系统、硬件、组件和封装工程师
- 电源设计师
- 信号完整性（SI）和电磁干扰（EMI）工程师

图书目录

第1章电源分配网络工程

11电源分配网络的定义及关心它的原因

12PDN工程

13PDN的鲁棒性设计

14建立PDN阻抗线

15总结

参考文献

第2章PDN阻抗设计基本原理

21关心阻抗的原因

22频域中的阻抗

23阻抗的计算或仿真

24实际电路元件与理想电路元件

25串联RLC电路

26并联RLC电路

27串联和并联RLC电路的谐振性

28RLC电路和真实电容器的例子

29从芯片或电路板的角度观察PDN

210瞬态响应

211高级主题：阻抗矩阵

212总结

参考文献

第3章低阻抗测量

31关注低阻抗测量的原因

32基于V/I阻抗定义的测量

33基于信号反射的阻抗测量

34用VNA测量阻抗

35示例：测量DIP中两条引线的阻抗

36示例：测量小导线回路的阻抗

37低频下VNA阻抗测量的局限性

38四点开尔文电阻测量技术

39双端口低阻抗测量技术

310示例：测量直径为1in的铜环阻抗

311夹具伪像说明

312示例：测量通孔的电感

313示例：印制板上的小型 MLCC电容器

314高级主题：测量片上电容

315总结

参考文献

第4章电感和PDN设计

41留意PDN设计中电感的原因

42简单回顾电容，初步了解电感

43电感的定义、磁场和电感的基本原则

44电感的阻抗

45电感的准静态近似

46磁场密度

47磁场中的电感和能量

48麦克斯韦方程和回路电感

49内部及外部电感和趋肤深度

410回路电感、部分电感、自电感和互电感

411均匀圆形导体

412圆形回路中电感的近似

413紧密结合的宽导体的回路电感

414均匀传输线回路电感的近似

415回路电感的简单经验法则

416高级主题：利用3D场求解器计算S参数并选取回路电感

417总结

参考文献

第5章实用多层陶瓷片状电容器的集成

51使用电容器的原因

52实际电容器的等效电路模型

53并联多个相同的电容器

54两个不同电容器间的并联谐振频率

55PRF处的峰值阻抗

56设计一个贴片电容

57电容器温度与电压稳定性

58多大的电容是足够的

59一阶和二阶模型中实际电容器的ESR

510从规格表中估算电容器的ESR

511受控ESR电容器

512电容器的安装电感

513使用供应商提供S参数的电容器型号

514如何分析供应商提供的S参数模型

515高级主题：更高带宽的电容模型

516总结

参考文献

第6章平面和电容器的性

61平面的关键作用

62平面的低频性：平行板电容

63平面的低频性：边缘场电容

64平面的低频性：功率坑中的边缘场电容

65长窄腔回路电感

66宽腔中的扩散电感

67从3D场求解器中获得扩散电感

68集总电路中串联和并联的自谐振频率

69探讨串联LC谐振的性

610扩散电感和源的接触位置

611两个接触点之间的扩散电感

612电容器和腔的相互作用

613扩散电感的作用：电容位置在何时重要

614饱和扩散电感

615空腔模态共振和传输线性

616传输线和模态共振的输入阻抗

617模态共振和衰减

618空腔二维模型

619高级主题：使用传输阻抗探测扩散电感

620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

71信号完整性和平面

72涉及峰值阻抗问题的原因

73通过较低阻抗和较高阻尼来降低腔体噪声

74使用短路通孔遏制腔体谐振

75使用多个隔直电容抑制腔体谐振

76为抑制腔体谐振，估计隔直电容器的数量

77为承受回路电流，需要确定隔直电容器的数量

78使用未达数量的隔直电容器的腔体阻抗

79扩散电感和电容器的安装电感

710使用阻尼来遏制由一些电容器产生的并联谐振峰

711腔体损耗和阻抗峰的降低

712使用多个容量的电容器来遏制阻抗峰

713使用受控ESR电容器来减小峰值阻抗高度

714处理回路平面为重要的设计原理的总结

715高级主题：使用传输线电路对平面建模

716总结

参考文献

第8章PDN生态学

81元件集中在一起：PDN生态学和频域

82高频端：芯片去耦电容

83封装PDN

84Bandini山

85估计典型的Bandini 山频率

86Bandini山的固有阻尼

87具有多个通孔对接触的电源地平面

88从芯片通过封装看PCB腔体

89空腔的作用：小印制板、大印制板和“电源旋涡”

810低频端：VRM和它的大容量电容器

811大容量电容器：多大的电容值足够

812优化大容量电容器和VRM

813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

814峰值阻抗的基本限制

815在具有一般性的印制板上使用单数值的MLCC电容器

816优化单个MLCC电容器的数值

817在印制板上使用3个不同数值的MLCC电容器

818优化3个电容器的数值

819选择电容值和小电容器数目的频域目标阻抗法

820使用FDTIM选择电容器的值

821当片上电容是大的和封装引线电感小的时候

822使用受控ESR电容器是一种替换的去耦策略

823封装上的去耦电容器

824高级主题：同一供电电路上多个芯片的影响

825总结

参考文献

第9章瞬时电流和PDN电压噪声

91瞬时电流如此重要的原因

92平坦阻抗线、瞬时电流