第1章 高速数字电路的PDN

1.1 PDN与SI、PI和EMI

1.1.1 PDN是SI、PI和EMI的公共互连基础

SI（Signal Integrity，信号完整性）、PI（Power Integrity，电源完整性）和EMI（Electromagnetic Integrity，电磁完整性）是高速数字系统设计需要解决的3个重要问题。高速数字系统设计必须同时保证SI、PI和EMI这3个完整性。

SI需要解决的主要问题是高速信号互连的设计，SI用来保证数字电路的正常工作和芯片或系统间的正常通信。PI需要解决的问题不只是一个功率传输，还用来保证高速数字系统拥有可靠的系统供电和良好的噪声抑制。PI直接影响和制约SI和EMI。EMI特指高速数字系统电路级互连的电磁兼容（EMC）品质，EMI保证PCB级电路系统不干扰其他系统或被其他系统所干扰。与传统EMC设计大多以宏观电路的电磁辐射为研究对象不同，高速数字系统的EMI研究对象只限于PCB及封装以下电路的高速信号和对应的高速互连。高速数字系统需要在电路和互连设计阶段解决潜在的EMC问题。

SI、PI和EMI设计紧密关联，而PDN（Power Distribution Network，电源分配网络）是SI、PI和EMI的公共互连基础，它们的相互关系^[1,2]如图1.1.1所示。SI、PI和EMI协同设计是高速数字系统设计的唯一有效途径。

1.1.2 优良的PDN设计是SI、PI和EMI的基本保证

SI问题主要是高速信号互连的设计问题，优良的SI设计建立在优良的PDN设计基础之上^[1-4]。对于高速数字系统，电源分配网络的路径互连不仅影响着电源配送，而且影响着信号的返回路径，以及电磁兼容测试认证能否通过。PDN设计严重影响SI的原因有如下两个。

（1）所有的收发器都是由PDN供电的，PDN为这些器件提供了参考电压。供电电压的波动严重影响收发器的时序问题，如驱动器上升边的提前或滞后，接收器参考电位的漂移等。

（2）电源/地平面构成了所有信号的返回路径，其设计的好坏直接影响高速信号传输的质量。

由电路理论可知，在电子电路中电流永远都是一个回路，电流总是流向阻抗最低的通路。这是电子电路的基本定律。根据电流是一个回路的概念，在高速数字电路中，这意味着所有信号必须有返回路径。不考虑返回路径的设计，问题将是十分严重的。在高速数字电路中，不考虑信号的返回路径是不可能获得高速信号传输的。

根据电流总是流向阻抗最低的通路的概念，在高速数字电路中，需要注意返回路径的“阻抗”状态。大多数信号完整性的问题来自对3个参数之间的混淆，即阻抗、特性阻抗及信号所遇到的瞬时阻抗。返回路径并不像人们想当然地那样，在PCB和封装中，走线拐角、走线尺寸/介质变化、走线分支、过孔、焊盘、封装引脚、键合线、连接器、电源/地平面上的开槽等，这些结构都将导致高速信号感受的瞬时阻抗发生突变。例如，PDN的重要组成部分@@@电源/地平面（包括电源/地过孔、去耦电容、稳压器等）也是高速信号的返回路径，电源/地平面上的开槽和信号切换参考平面都将造成返回路径的偏离，导致信号回路阻抗的突变，从而造成SI、PI和EMI问题。

PDN上的高频噪声，尤其是电源/地平面之间的高频电源噪声和高速信号回路是影响PCB和封装EMI及宏观EMC的两个源头^[1-4]。这两点都与PDN的设计密切相关，如果能够通过设计严格控制或抑制PDN的电源噪声，就可以大幅度减小由电源噪声引起的电磁辐射。通过恰当设计高速信号的返回路径使其紧邻信号路径分布，使得形成的回路面积最小，保持电流通路的阻抗连续不变，从而可以减小潜在的辐射威胁。

电源/地平面为所有信号提供返回路径。在高速设计中，必须使得传输线的阻抗突变控制在一定范围内。当高速走线经过带有开槽的参考平面或是经由过孔切换到其他参考平面时，由于返回路径被强制流向离信号路径较远的地方，导致回路面积增大，进而导致辐射增强。由于电磁辐射的强度与频率成正比，减小信号的边沿率能降低造成的辐射，因此在设计中应该选择满足系统性能指标的速度最低器件，采用边沿控制器件能在一定程度上减缓EMI问题。另外，采用小电流信令标准和差分信令都能改善EMI。对于传输路径而言，应尽量减少传输线的不连续，使返回路径紧邻信号路径分布，如采用匹配传输线、避免信号横跨凹槽等。对于敏感电路而言，可采用电源/地隔离、增加去耦电容和电磁屏蔽等措施，切断电磁场的传播路径。

作为PDN的重要组成部分@@@电源/地平面对，如果设计不好将可能成为一个严重的辐射源。例如，当信号切换参考平面时，整个电源/地平面对构成了返回路径，高速切换的返回电流将注入电源/地平面对中。由于电源/地平面对形成了一个平面谐振腔，因此具有固有的谐振频率。当信号的频率分量落在平面对的谐振频率上时，平面谐振腔就会被激励，从而产生谐振。在谐振频率上，由电源/地平面产生的电磁辐射是最严重的。减小这种辐射是PDN设计的一个重要内容。

PDN的电源/地平面构成了所有信号的返回路径。良好的电源/地平面设计是获得良好的SI、PI和EMI的基本保证。PDN构成了高速数字系统最庞大、最复杂的互连，占30%～40%的互连空间。系统中所有的器件都直接或间接地连接到PDN上。因此PDN的影响是全系统的，其设计的不完善将导致系统的功能失效和瘫痪。PDN的功能是为高速电路提供干净的能量，为实现这一目标，需要对PDN进行特性分析，并且需要对PDN上的噪声进行抑制，以降低噪声对供电性能的影响，最终提高PDN的供电性能。

当前PDN方面的研究主要集中在4个方面^[5]：PDN建模与分析；PDN去耦网络的设计；PDN上同时开关噪声（Simultaneous Switching Noise，SSN）的抑制；系统由于宽频噪声引发的电磁兼容（Electromagnetic Compatibility，EMC）问题。而在工程设计中，要充分利用好经验法则、解析近似、数值仿真和实际测量这4种重要的技术工具。

PDN作为PI分析的基础，同时也是SI、PI和EMI问题紧密联系的载体。PDN的建模是分析所有问题的基础，为了保证分析的准确性，电路建模技术得到广泛的研究且用来对互连和PDN建模，以准确表征元件和网络的电气特性。如何准确地建立起宽带等效网络，同时考虑到复杂的耦合特性是建模技术的难点。目前建模方法已经得到了很大的发展，主要有集总建模方法、分布式建模方法和宏模型方法^[5]。

在集总建模方法中，局部元件等效电路法（Partial Element Equivalent Circuit，PEEC）^[6-10]已经广泛用于复杂三维结构的建模，并且通过引入延迟来获得全波解，但是由于局部元件等效电路法没有考虑高频电容分布特性，其适用的带宽范围较窄；利用电感和电阻也可以对电路的局部特性建模，由于简单电感和电阻元件不能准确地描述谐振特性，因此其只适合小尺寸元件的建模。

在分布式建模方法中，传输矩阵法（Transmission Matrix Method，TMM）^[11,12]以每列单元格的传输矩阵为基础，采用一种快速方法计算平面端口到端口的特性；频域有限差分方法（Finite Difference Method，FDM）^[13]和时域有限差分法（Finite Difference Time Domain Method，FDTD）^[14-17]通过离散化差分运算来获取频域和时域结果；平面谐振腔法^[18-24]以平面波导理论为基础，应用C、L和G电路参数表征谐振频率特性。除了以上这些方法，还有矩量法（Method of Moments，MOM）^[25]、传输线法（Transmission Line Method，TLM）^[26,27]和有限积分技术（Finite Integral Technique，FIT）^[28,29]、有限元法（Finite Element Method，FEM）^[30]等。为了满足设计的需要，一些算法已经应用到PI问题的仿真和分析中并形成了软件，如Sigrity的Power SI/Speed 2000（FDTD）^[31]、CST（FIT）^[32]，以及Ansoft的HFSS、Q3D和SiWave（FEM）^[33]等。

以上这些方法主要用来获取端口自身特性参数和端口间的耦合特性参数，即Z参数或S参数。互参数（Z21，S21）描述了平面上两个端口之间的噪声耦合特性，而自参数（Z11）描述了端口自身产生的噪声特性。互参数主要用于PDN噪声耦合和抑制分析及EMI设计，而自参数主要用于PDN供电性能的优化与供电网络的设计。通过以上建模方法或测量得到Z参数或S参数，并以此为基础建立一种忽略模型内部特性的黑盒模型，这种方法称为宏模型。宏模型通过建立有理函数来获取端口间频率响应，并通过无源性检测和强制无源性来实现模型的稳定性，获得的宏模型可以相互级联实现较大的系统仿真，并且能够有效减少仿真时间，提高仿真效率。