1.概述

電源分配網絡(Power Distribution Network,PDN)是將電源功率從源端輸送給負載的電路路徑，電流通過PDN的電源平面從電源端流向負載端，再通過PDN的地平面從負載端流回電源端。

在電路中對電源分配網絡的基本要求是保持芯片（Chip）焊球間或晶片（Die）凸點間供電電壓的穩定，并使它能夠維持在一個很小的容差范圍內，通常為5%以內。

電源分配網絡的作用是為負載提供穩定的電壓，并快速響應負載電流變化、減小開關噪聲。

2.電源分配網絡的組成

按照功能來劃分，PDN主要是由電壓調節模塊(Voltage Regulator Module,VRM)、去耦電容、電源/地平面、電路走線和過孔等元素組成。

2.1.電壓調節模塊VRM

電壓調節模塊VRM，把一個DC電壓轉換成另一個DC電壓，因此也可以稱為DC-DC變換器。它感應負載的電壓并通過調整輸出占空比以控制負載電壓。控制回路的帶寬通常在1KHz到數MHz間。

2.2.去耦電容

當頻率高于1MHZ并且VRM由于其高輸入阻抗不能有效供電時，PDN需要其他供電器件來保證供電能力，這時需要使用大量的去耦電容器來保證PDN的供電連續性。

因為去耦電容能夠存儲電荷，所以一旦芯片電路需要電荷，去耦電容器可以直接為開關電路供電。去耦電容器通常放置在電源與地平面之間，一個引腳連接電源平面，另一個引腳連接地平面。

由于去耦電容器寄生電感參數的影響，去耦電容器可以被分為低頻去耦電容器，中頻去耦電容器和高頻去耦電容器。

用以實現目標阻抗的電容器的有效去耦頻率如圖所示，低頻去耦電容器的有效頻率為1KHZ10KHZ，主要指體電容器；中頻去耦電容器的有效頻率為10MHZ100MHZ，主要指表貼電容器；高頻去耦電容器的有效頻率為100MHZ~1GHZ，主要指平面電容器。

去耦電容器按其使用位置可以分為三種：板級去耦電容器、封裝級去耦電容器和芯片內去耦電容器。

2.3.電源/地平面

平面結構是PDN功率傳輸性能最優良的部分，其效率非常高，PCB和封裝都可以包含電源/地平面對。電源/地平面的主要問題是它表現為電磁諧振腔，諧振頻率由平面的大小和介質的介電常數決定：

通過改變電源/地平面參數以提高PDN供電性能的方法主要有三種：第一種是在電源/地平面間使用薄介質層，以提高PDN寬頻范圍內供電能力和抑制噪聲能力；第二種是電源/地平面間使用具有高介電常數的介質層，以提高PDN低頻區域的供電能力和噪聲抑制能力；第三種使用高損耗介質材料，以抑制PDN諧振頻率處的噪聲波動和電磁輻射。

2.4.PCB走線和過孔

電路走線和過孔作為能量的傳遞者，將電源和去耦電容的電荷，盡可能無損耗的傳輸到負載，保證負載正常運行。

因此在布局布線時，應該盡量地降低ESR，保證PDN在低頻時滿足阻抗要求，同時也應該盡可能降低等效串聯電感(ESL)，保證PDN在高頻時滿足阻抗要求。

3.目標阻抗

電源分配網絡的最大阻抗，即目標阻抗，就是形成小于可接受紋波壓降的最大阻抗。最佳的電源分配網絡阻抗值應該低于但不應該遠遠低于目標阻抗。如下所示：

4.電源分配網絡工程化建模

電源分配網絡可以在頻域里劃分3個成簡單區段。如下圖所示，在低于10kHz的頻率范圍內，穩壓模塊的性能對電源分配網絡阻抗起決定性的作用。

在10~100kHz的范圍，去耦電容器對電源分配網絡的阻抗起決定作用，通常是一些在穩壓模塊作用頻率范圍上提供低阻抗的電解電容及鉭電容。最高頻率時的阻抗取決于片上電容，這一容性阻抗是芯片在GHz所看到的電源分配網絡的唯一特性。

任何芯片與電路板的接口都存在一些寄生電感。這通常取決于封裝、過孔，以及過孔到電源/地平面連接處的擴散電感。

板級電源分配網絡設計的頻率范圍約從 100 kHz 到100 MHz 。這正是電路板平面和多層陶瓷貼片電容器 (MLCC) 發揮作用的頻率范圍。

5.設計出成功的PDN的要素

首先是讓電源和地平面成為相鄰的平面層，平面之間的介質要盡量薄，并且還要讓平面盡可能靠近電路板層疊結構的表面層；其次在去耦電容器焊盤和連接內層電源/地平面的過孔之間，使用盡可能短而寬的表層走線，并在具有最低回路電感的位置放置電容器；最后使用 SPICE 選擇最佳的電容器容值及其個數，以使阻抗曲線低于目標阻抗。

成功的 PDN 設計需要將許多不同的電源和接地網絡均勻地分配給電路板上的不同器件。雖然為每個所需的電壓設置一個單獨的平面層是一種比較方便的做法，但這些網絡的數量通常會超過電路板堆疊的可用層數量。

為了解決這個問題，板圖設計師通常會分割平面，以便在一個信號平面層上布置多個電源或接地網絡。然而，這樣做的挑戰在于，雖然分割平面確實有效地分配了不同的電源和接地網絡，但這也為信號返回路徑制造了額外的障礙。

因此， 設計師需要設計分割平面，以便均勻地提供所有的電源和接地，同時保留敏感的高速信號所需的清晰的回流路徑。