说说PCB仿真时域电源噪声与频域PDN阻抗的关系

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PCB电源完整性的双面视角，用一篇文章理清时域电源噪声与频域PDN阻抗的关系

宣布时间：2025-08-27 13:40

虽然和高速先生合作了许多电源仿真项目，可是我始终没弄明确：为什么我提的需求是电源知足3%的时域噪声要求，他们却给我仿真的是频域的PDN阻抗呢？

电源作为每一个电路系统都必备的部分，以是关于它的仿真自然是少不了的哈。关于硬件工程师朋侪来说，他们以为最直观的形貌电源质量好欠好的依据就是时域的噪声或者纹波巨细，例如1V的电源输出，传到负载的时间噪声或纹波规模有没有在3%以内啊，或者峰峰值是不是在±30mV，就像下图一样，用时域的方法来看电源噪声简直是很直观哈。

可是和高速先生团队合作过的客户都知道，我们去举行电源仿真的时间，却喜畛刳频域上去剖析，也就是所谓的PDN目的阻抗的剖析要领。电压照旧谁人电压值，电流也照旧谁人电流值，可是用电压除以电流获得的电阻值却不是直流的电阻，而是带频率的阻抗，我们就称为目的阻抗。以下是关于怎样获得目的阻抗值的公式。

我相信许多客户做完了PDN阻抗仿真，依然没有很清晰的弄懂高速先生究竟仿真的是啥。提的需求是时域的噪声或者纹波规模，仿真的却是频域的阻抗值？两者究竟有什么关系，又是怎样联系在一起的呢？今天Chris就通过一个最最最简朴的仿真case让各人都get到哈！

我们在仿真软件上去搭建一个灰�；页＜蚱拥牧绰�，左边是一个1V输出的理想电压源，中心用0.01nH的电感体现电源的链路特征，在右边的负载端我们输入一个从0A到4A的一个1GHz的电流正弦波，如下所示：

其中下图就是这个输入电流的曲线，能看到它就是一个从0A到4A，也就是转变电流4A，频率是1GHz的波形。

各人也知道，若是一个转变的电流经由一个电感时，就会爆发电压的波动，以是我们在负载端可以视察到V1的电压曲线如下所示：电压在1V上下波动，我们划分mark下它的最大值1.126V和最小值0.874V，顺便口算出波动的峰峰值为1.126-0.874=0.252V。歉仄哈，为了包管不算错，Chris在这里照旧偷偷的使用了盘算器，哈哈哈。

那么经由上面一轮猛如虎的操作后，照旧没提到频域的PDN阻抗啊，时域的波动效果怎么和频域的PDN阻抗关联起来呢？那我们换成频域的仿真要领来仿真上面的链路。如下所示：我们去盘算从负载处看回去的频域Z阻抗值，着实电源链路就只有这个0.01nH的电感，这时间理想的1V输出的电源在频域仿真中就是直接接地就好。

这个时间我们通过仿真又可以获得这个电感的频域Z阻抗曲线，如下：

Chris很是体贴的给各人标注出了该电感在1GHz的Z阻抗值，是0.063ohm。那上面我们就划分从时域和频域完成了这个“电源网络”的仿真。然后呢，它们有啥子联系吗？

这不就来和各人show出他们的关系了嘛！凭证上面目的阻抗的关系式，PDN阻抗即是电源的波动值/最大的转变电流，这个case的电压波动值为0.252V，最大切换电流为4A。通过下面公式就能算到目的阻抗值为0.063ohm。没错！就是和上面我们举行频域仿真的Z阻抗效果0.063ohm是一模一样的。由于我们的电流是在特定频率1GHz下的值，因此算出来的Z阻抗就是看1GHz的Z阻抗了。

这下各人应该都明确噪声或者纹波与我们仿真的PDN阻抗的关系了吧。以纹波为例，假设我们要把20MHz宽带下丈量的纹波值控制到±3%或者峰峰值±30mV的规模，那么转换到频域去看的话，那就意味着，只要我包管了20MHz以内所有频点的Z阻抗都小于电压波动值除以最大转变电流的这个值的话，那么我就一定可以在时域包管波动值知足要求。

最后一点，至于为什么我们习习用频域的PDN阻抗来举行电源仿真呢？主要是由于我们可以清晰的举行差别谐振频点的电容和电源平面的分派，从频域上去剖析更直观。并且还能凭证链路的每一个差别的部分来认真差别的频段举行划分，例如板级主要认真几十MHz以下的频段，封装认真几十MHz到几百MHz的频段，die电容认真更高的频段。以是综上所述，我们大大都项目的处置惩罚方法就是凭证这个PDN阻抗要领来制订的了。这下各人应该get到了吧！