高速数字电路的电源分配网络(PDN)设计
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前言

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、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。

本书是为从事高速数字电路设计的工程技术人员编写的一本介绍高速数字电路PDN设计基本知识、设计要求与方法的参考书。本书没有大量的理论介绍、公式推导和仿真分析,而是从工程设计要求出发,通过介绍大量的设计实例,图文并茂地说明高速数字电路PDN设计中的一些技巧与方法,以及应该注意的问题,具有很好的工程性和实用性。

本书可以作为本科院校和高职高专电子信息工程、通信工程、自动化、电气、计算机应用等专业学习高速数字电路PDN设计的教材。

本书共分8章,具体介绍如下。

第1章为高速数字电路的PDN,介绍了PDN与SI、PI和EMI的相互关系,高速数字电路的PDN拓扑结构,基于目标阻抗的PDN设计、功率传输的PDN设计方法,以及平面PDN的一维分布模型。

第2章为PDN中的电阻,介绍了电阻的基本特性,以及高速数字电路中的电阻。

第3章为PDN中的电容,介绍了电容的基本特性、电容器的频率特性、电容器的ESR和ESL特性、片状电容器的使用、低ESL的电容器、片状三端子电容器、X2Y电容器,还介绍了可藏于PCB基板内的电容器、PCB的电容、埋入式电容及IC封装的电容。

第4章为PDN中的电感,介绍了电感元件的基本特性、电感器的频率特性、电感器的电感值DC电流特性、电感器的选择,以及互感、局部电感、回路电感、PCB的电感、IC封装的电感和贴装电感,还介绍了电感引起的“地弹”及其控制、同时开关噪声(SSN)及LC电路的阻抗特性。

第5章为PDN中的PCB电源/地平面,介绍了PCB电源/地平面的功能和设计原则、PCB电源/地平面叠层和层序、PCB电源/地平面的叠层电容、PCB电源/地平面的中间介质的影响、PCB电源/地平面的层耦合、PCB电源/地平面的谐振、电源平面上的电源岛结构,以及利用EBG结构抑制PCB电源/地平面的SSN。

第6章为PDN中的去耦电路,介绍了去耦电路的结构与特性、插入损耗特性、影响电容器噪声抑制效果的因素、LC滤波器(去耦电路)、使用去耦电容抑制电源电压波动,以及使用去耦电容降低IC的电源阻抗,还介绍了去耦电容的组合特性、去耦电容器的容量计算、mΩ级超低目标阻抗设计及去耦电容器的选择。

第7章为PDN中的电压调整模块(VRM),介绍了DC-DC开关稳压器电路、线性稳压器电源电路,以及模数混合系统的电源电路结构。

第8章为设计实例:FPGA的PDN设计,介绍了FPGA的PDN模型、FPGA的供电要求、FPGA的PDN设计和验证、VirtexTM-5 FPGA的PDN设计实例、仿真工具、FPGA电源电路设计实例,以及多电源系统的监控和时序控制。

本书在编写过程中,参考了大量的国内外著作和文献资料,引用了一些国内外著作和文献资料中的经典结论,参考并引用了Xilinx、Altera、muRata、TDK、Texas Instruments、Analog Devices、Maxim、Microchip Technology、Linear Technology、National Semiconductor、Sanmina、Oak-Mitsui Technologies等公司提供的技术资料和应用笔记,得到了许多专家和学者的大力支持,听取了多方面的意见和建议。南华大学黄国玉副教授、李月华老师等为本书的编写也做了大量的工作,在此一并表示衷心的感谢。

由于作者水平有限,不足之处在所难免,敬请各位读者批评指正。

黄智伟 于南华大学