《PDN 设计核心 —— 目标阻抗对噪声电压的决定性作用》

引言

在电子设备的复杂世界里，PDN（电源分配网络）设计的重要性不言而喻。它如同电子系统的能量中枢，肩负着为各个组件稳定供电的关键使命。一旦 PDN 设计出现瑕疵，可能引发诸如电压噪声过大等一系列问题，进而严重影响整个系统的性能表现。
本文将重点聚焦于 PDN 设计中的两个核心要素 —— 目标阻抗与电压噪声。目标阻抗作为衡量 PDN 性能的关键指标，其数值的精准确定对保障电源稳定性起着基石般的作用。而电压噪声则犹如隐藏在电路中的 “定时炸弹”，可能在不经意间干扰系统的正常运行。我们将深入剖析它们的原理、相互关系以及在实际电路中的具体影响，旨在帮助读者全面理解 PDN 设计的关键要点，为电子设备的优化设计提供有力的理论支撑与实践指导。

目标阻抗

定义与计算原理：

目标阻抗由欧姆定律衍生而来，其计算公式为

$$Z_T=\frac{V_{dd}\ast 波动}{50\%\ast I_{max}}$$

以常见的电路参数为例:

若电源电压 $V_{dd}$为1.8V,

设定电压波动为5%,

最大电流$I_{max}$为1A.

$Z_T=\frac{1.8V\ast 5\%}{50\%\ast 1}=0.18\Omega$

经计算可得目标阻抗：$Z_T=0.18\Omega$。

在实际的集成电路（IC）设计过程中，由于功率(P)和电压(V)通常是已知的，借助公式$P=VI$能够求出最大电流$I_{max}$，进而准确计算出目标阻抗$Z_T$。

在 PDN 设计中的作用：

在电源分配网络（PDN）设计中，目标阻抗在频域内为 IC 电源端 PDN 最大阻抗设定了上限。只要 PDN 的实际阻抗低于该目标阻抗，就能确保任何电流跳变所引发的电压噪声都被控制在允许的范围内，例如小于电源电压的5%。因此，目标阻抗是 PDN 设计中不可或缺的关键参数，为设计工作提供了重要的量化参考标准，对保障电路稳定运行意义重大。

电压噪声

电路参数与频域响应：

以供电 2.0V 电路为例，其电源到电容器有分布电阻 3mΩ、电感 320pH，电容器参数为 ESR 10mΩ、ESL 1nH、C 100μF（谐振频率 0.5MHz），片上电容 800nF，IC 端 1A 电流源。经交流分析，在 10MHz 附近因片上电容与去耦电容器等效串联电感反谐振产生大阻抗。此电路目标阻抗 10mΩ，5MHz 前满足，5 - 100MHz 超出。

时域响应特性：

在时域中，利用时变电流源模拟负载变化，电流可以在10A或20A间来回变化。当上升时间 10ns、周期 1μs 时，开关动作 50ns 后噪声电压虽在 2V ±5％内波动，但 10ns 上升时间产生超 100mV 负毛刺；当上升沿 10ns、周期 80ns（约 10MHz 与反谐振频率一致）时，噪声电压在 1μs 区间达 200mV，远超 100mV 噪声预算，表明频域管控 PDN 阻抗对控制噪声极为关键。

结束

总之，PDN 设计中的目标阻抗与电压噪声是紧密相连且至关重要的因素。精确控制目标阻抗是降低电压噪声、保障电路稳定运行的核心要点。在实际应用中，设计者务必依据电路的具体状况进行精细的分析与规划。未来，随着电子技术的持续进步，我们期待能有更创新的方法与材料出现，进一步优化 PDN 设计，增强电路的可靠性与稳定性，从而更好地满足电子设备不断提升的性能需求，推动电子领域的发展迈向新的台阶。