PDN分析及应用系列三 —— 案例2：串联电源网络连接

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此示例展示了如何将一系列连接的网络进行整体分析，同时考虑互连它们的串联元素的参数。 此外，本次系列还概述了如何添加电压调节器模型“Voltage Regulator Models（VRM）”，它们也可充当网路之间的电气和逻辑链路，以及如何开发设计电源网络的完整层次结构。
8 ^) u) t( w# r9 n4 B  }$ b( j
' x: |  }" d' Q6 D该示例为SpiritLevel-SL1参考项目的PWR_IN至5V的网络建模，并包括3.3V（VCCO）和1.8V（VCCINT）VRM，以创建完整的电源网路结构。


2 M  z5 Y7 C3 @  k  p' d0 x. b
原理图电源网络
/ |9 L4 `' j3 n" z* z0 P
+ u9 `8 P! a! V, }! ^4 S, |7 \DC网路设置
+ Y) c" _4 f' V' [0 S* h1. 选择 File » New Simulation。

4 c; B$ ^; p3 @; q: h) l% G2. 设置< Power Net> 为 PWR_IN 和 GND 。

, r: i  [$ N, d, R4 Z4 D6 W% @3. 添加Source 并设置为 J1。
, x- h4 n* ]1 W, ?1 P9 K
3 F9 R0 t! S6 g, b$ Z通过串联元素扩展网路
" b7 @: |% p' c7 T% M( ~  [要建模从PWR_IN网路到5V网路的完整电源路径，需要添加串联熔断器（F1）和开关（S1）元件及其中间网络。 在PDNA接口中，通过顺序地扩展电源网路来添加这些。 每个网络“扩展”通过通用串联元素模型连接。 串联元素不限于所有终端的单个RefDes。 例如，可以制作一个串联元素来模拟电感器，或者一个串联元素可以跨越多个元件，以防设计的一部分不需要模拟，或者因为电源在PCB上只有一个连接器，要通过该连接器接到另一块板的情况，这样不是一个完整的网路。

1.右键单击PWR_IN网路，然后从上下文菜单中选择“Extend Network”选项。
1 l* P/ a- e, E6 _3 h* X
4 X# Q- Q$ y' E8 N2.选择NetD1_2网络（桥接F1和S1的引脚3，及二极管D1的引脚2）。

+ E. _7 C# {9 Q- I3.单击“确定”。 网络扩展进程将自动在两个网络之间添加一个串联元素。

  i$ Y. r3 U( i( i% i
! r8 |# x9 t  l# |
; L3 a- ~( Q' @7 J, d扩展电源网路
* j+ H8 C" }7 d) ]$ E4 h" |" `
' r. F/ W5 ?$ `; ^" S+ m4.双击“串联元素1”以在“ Device Properties”对话框中指定连接“ connectivity ”和参数“parameters”。

串联元素模型由与电阻串联的电压源组成，可以对电阻，电感，二极管和开关等元件进行基础建模。
2 O6 H, x# X, B0 T9 b1 ~* A
: B6 c# W6 `: `  D' Y: z( {3 E5.将 In和 Out终端的Refdes设置为F1。
( `, R# J) P) N0 o5 N( e4 L8 K
% L% _* W5 }5 p; d% T2 u1 ~6.将标称内部电阻设置为0.1Ω，然后单击“确定”。
- n7 J( l: o! c& A- K
$ V4 N, \8 D% e& Y3 |0 q. D注意：如果串联元素是半导体器件，例如二极管，则会指定电压降参数以及器件的内部电阻值。
4 x4 t  c1 z7 _2 c) y
; X% z1 J( i7 S4 A7 N+ f, R! U
0 r3 e# D  D+ M2 e3 F
- b: D7 N" i5 Y! f3 H3 k定义串联元素的属性
5 m0 o7 X% x! K* C
+ t( |0 h) Z1 ?9 Q7.右键单击NetD1_2，然后从上下文菜单中选择Extend Net。
& s$ I1 X/ j5 P& o
6 M* A- p( X2 w5 I1 Q8.选择5V电源网络。

" V1 x1 `3 |% x, k5 F5 e& D* p
. a- m" o" k8 ^. O
扩展NetD1_2网路
8 F2 s0 D# i5 ^# \7 @
: {( y6 H1 f- k9 j9.双击串联元素Series Element 2。

% ~. M5 Z2 f) M8 D8 M9 A' O* n* s9 x10.将 In和 Out终端的Refdes设置为S1。
9 z) q0 j) e5 @6 ?
6 k4 `0 b8 q( \* Z11.取消选择 Group Pins by Name。

12.禁用 Pin 1。
3 q( t1 z  `  z: D( _5 @
13.将标称内部电阻设置为0.1Ω，然后单击“确定”。
* M. @$ E5 S! i4 D
8 R( N/ L& M, p. _
. O: I; d: [2 }
5 j) I  u7 F; Z0 k' F2 u$ A添加串联元素2

在这种情况下添加的串联元素是S1，它通过引脚2和引脚3将D1_2网络连接到5V输出网路。由于S1（引脚1）的备用输入引脚连接到其输出引脚（引脚2）， 不带负载电流，引脚1可以从网路分析中删除。

) Y  y! g, {7 e: o0 f14.将LCD1作为负载添加到5V电源网络。

15.将Load Current设置为80mA，然后单击OK。

7 P8 k# a) y7 u- N- ~
. ]3 M* Y, g2 S: i: A+ e8 {
添加LCD1负载到5V电源网络
: ?- j* L8 g4 X% B* y% e- o! X3 M7 C
16.开始分析。
: g/ i9 X- L2 m$ s


同时进行多网路分析

包含电压调整器模型
  p0 i  B$ V/ FPDN分析仪提供有源电压调整器模型 “Voltage Regulator Models（VRM）”，可插入网路的电压输入和输出之间。 当添加到PDNA电源网路时，它们既表现为电压输入网路上的负载，又表现为电压输出网路上的电源。 VRM模型选项包括线性“Linear”，开关模式“Switchmode” 和遥感开关模式电压调整器 “remote-sensing Switchmode voltage regulators”。 电压调整器模型（VRM）在PDN分析仪中非常强大，因为它们可以在多个元件中定义，模拟整个稳压器电路的功能。 这样就可以在PDN分析仪中轻松模拟复杂多样的设计。
7 b" S4 c) V$ Y4 b0 z
7 D7 u: |' b1 L. ]1 gSpiritLevel-SL1参考项目使用线性稳压器来产生3.3V（VCCO）和1.8V（VCCINT）电源。 当VCCO稳压器（U3）添加到PDNA仿真网络时，它表示为5V输入网路上的负载和3.3V网路的源。
" L' p5 C+ \8 `1 c. W

2 `/ E1 Q9 ]- s( d
7 e$ ~7 L* B9 N3 }- ]4 ^/ P8 o项目线性稳压器

1.向5V电源网路添加负载。
, U; W, N5 @- W# m
2.在“设备属性”对话框中选择VRM (Linear)选项作为 Device Type 。

3.将In 终端的Refdes设置为U3，将Net设置为5V。
+ k" ~- C8 X( K' C4 K% }! J5 F
" t( d( _! {' f6 c& [& t5 j" k4.将Out 终端的Refdes设置为U3，将Net设置为VCCO。
" i# Z/ i( R1 j+ U+ C4 ~
5.将Ref终端Refdes设置为R14，将Net设置为GND。
4 r1 F* W6 f! b- ^4 z; K
6.最后，请将Vout设置为3.3V，然后单击“确定”。
, }/ h) R0 O/ j* f7 N- f, z
4 g9 G3 T+ S6 ^

1 w' H" Z, e* p8 [% j4 c用于VCCO电原网路的线性VRM

7.右键单击刚刚创建的VRM负载模型（Load 2：U3），然后选择Add VRM To New Network选项。

+ M7 e( Q3 v) R' m, D这将自动创建VCCO网路，其中 VRM (Source 1: U3)输出侧模型作为电压源 (3.3V)。
) v$ |; K8 w; [2 z3 A- ~

/ q$ q) A3 v; g9 r( L# g1 D. ~( W
5 ?( ~# S( K1 f. W" E+ P从VRM创建VCCINT
6 A* M- h2 T- t
' ^) O3 c1 n2 i; b0 o2 j注意：VRM是可以从任何源进行修改的共享模型。在此示例中，更改将双向应用于Load输入模型反射和Source输出模型。
5 N; p7 ?. q+ j
0 }4 i' z7 S; T) l  T0 [  o+ _1.将负载U1添加到新的VCCO网路。

2.将Load Current设置为0.2A，然后单击OK


7 X9 |" M/ H0 C4 M
向VCCO VRM添加负载

" b  l) ?8 g8 ^1 O* f$ K完成的电源网路布置现在包括通过3.3V线性VRM连接在一起的两个网路（PWR_IN和VCCO）。当在当前PDNA文件结构中选择网路层次结构的顶层时，网路图形提供电源网络互连的块图样式的概览。在此示例中，VRM作为负载添加到5V（输入电压）网路，然后用于自动创建3.3V（VCCO）电压输出网路，VRM为 Source源。最后，VRM作为Source添加到 output voltage网路，并且该模型作为负载Load 添加到 “input” voltage网路（(Add VRM To New Network或 Add VRM To Existing Network）。

. Z0 p; B5 i0 L+ A6 Q

" B2 e* Y2 b8 J3 y& z; x网路块图概览

$ @3 F/ b- c2 [' H, l同时进行多网路分析
GND网路的路径现在将包括来自PWR_IN和VCCO网路的返回电流叠加。 PDN分析将产生复合网路的结果，包括VRM。 从图形上看，当在PDNA界面中选择网路层次结构的顶层时，PCB编辑器将显示所有网路。 添加另一个VRM（U4）将完成示例项目的电源分布网路，并将1.8V电源输出网路（VCCINT）包含在内。



& M( j- w- w' g& n9 C" w第二个电源网路线性VRM
1 M0 w& H" l: e# q  N0 [
* E! ~2 A* C# C3 H1.单击网路模拟设置，PWR_IN。

2.添加 Linear VRM到5V网路，参数如下。
/ F' Z( ~2 b1 Z/ @8 Q- F
0 m& c3 @9 V% _; z/ ?设置 In 终端Refdes为U4，Net为5V。

设置Out终端Refdes为U4，Net为VCCINT。

将 Ref 终端Refdes为R19，将Net设置为GND。

  B& m( p7 d8 G- g/ y, W' V3 ~" I将Vout设置为1.8V。

3. 完成VRM，单击“确定”。


+ p$ u, ]6 f. M/ Q
/ Z- n3 P7 E  Y8 _* K用于VCCINT电源网路的线性VRM
. K1 z% V, p7 [. {$ n' f
4.添加VRM Load 3到新的网路以创建1.8V（VCCINT）电源网路。


" q# b# s# F( k5 W* C9 Y
创建VRM的VCCINT
8 F- O$ K; h' x+ ~3 D6 |; \  D
5.添加Load U1到VCCINT网路。
+ J  ~7 Y& k' r  c9 g' m
% n3 a( |1 s- t  f6.将Load Current设置为100mA，然后单击OK。
* j+ ^; {  @8 y0 w0 K5 n3 h7 m
, f9 x& [$ s3 e$ X- K3 G
3 b8 D+ V" h- J7 A
添加一个负载到 VCCINT VRM

7.右键单击网路模拟设置，Unnamed simulation(1)，然后选择另存为 Save As。
: N2 d, S0 e6 s9 a7 C+ h+ C" ^, Q
+ ?, L1 u# u2 |, L% o: N0 |

. R8 l1 ^0 T( H同时多网路层次结构

8.在项目目录中选择文件夹ConfigFiles_2.0。
' r, q/ U8 R% \8 D2 }9 d1 b
9.将文件名保存为 Example 2。

注意：PDN配置是一个文件（* .pdna），它捕获并保存现有分析设置中定义的所有用户设置及相应的数值。 配置文件使您可以保存和管理任意数量的分析设置以供后续使用。
, @2 p3 b' T! U$ h! W& h


& g' {, A7 l% u  J保存配置文件

' V( u) V  A1 [# n$ X10.启动分析。
' [" d' F/ \& e0 H' |0 f  [0 \
PDNA接口网路层次结构显示所有三个互连的网路。 PDN分析将产生包括VRM的复合网路的结果。 GND网路现在包括所有三个网路的返回电流，这三个网路使用公共的GND层形状。
  C8 B. H  a8 X! l% n! h" o+ S

9 W  ~* d# ?$ k! N; l, f: Q/ @9 }) X8 c1 \
1 `: y' E. w' |% Q( b7 Q可视化同时多网路PDN分析
; z2 a/ J. W1 ^' p! s5 I  k
注意：该三个示例都使用SpiritLevel-SL1设计。 一般情况下，这些文件可以在altium Designer安装文件夹的目录地址找到：C：\ Users \ Public \ Documents \ Altium \ ADxx \ Examples \ SpiritLevel-SL1。

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串联电源网络连接