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

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