PDN Analyzer（由 CST 提供）

PDN Analyzer powered by CST^®（Computer Simulation Technology）与 Altium Designer 直接集成，可对当前 PCB 项目进行 PI-DC 仿真和分析。由于 PDN Analyzer 在 Altium Designer 内运行，因此无需手动导入/导出数据、转换数据或运行单独的应用程序，只需从原理图或 PCB 编辑器启动 PDN Analyzer，设置所需的测试参数，然后运行仿真即可。结果主要通过电路板铜布局的 2D/3D 模型呈现，便于快速评估结果，并对 PCB 布局设计进行探索性的“假设情景”测试。

PDN Analyzer界面，图中展示了 Altium Designer 的 Spirit Level 示例 PCB，以及其顶层 GND 网络中 VCCINT 电源回流路径的 PI-DC 压降仿真结果。

访问 PDN Analyzer 功能

要在 Altium Designer 中访问 PDN Analyzer 功能，必须安装 PDN Analyzer 软件扩展。此扩展可以手动安装或移除。

有关管理扩展的更多信息，请参阅 Extending Your Installation 页面（Altium Designer Develop、Altium Designer Agile、Altium Designer）。

要访问此功能，您还需要拥有有效的 PDN Analyzer 订阅。

电源完整性基础

从本质上讲，PI-DC（或“IR 压降”）问题相当直观：电路板供电铜结构（走线、多边形覆铜、平面等）中的电阻会消耗功率并产生压降，从而减少各个负载可获得的功率和电压。正如您所预期的，随着电源所带负载数量的增加，电源和地铜路径中的相互影响会使 IR 压降问题变得更加复杂。

图 1：电源和地铜结构及其所带负载的基本框图。

上方的图 1 展示了一个简单框图，其中包括电路的电源，以及向各种负载（存储器、微控制器等）供电的电源和地铜结构（走线和平面）。 请注意，所有负载都连接到同一组电源和地铜结构，并依靠这些铜结构提供工作电压。 通常，我们倾向于假设这些电源和地铜结构的电阻为 0Ω，但实际情况并非一定如此，这种假设可能导致问题。 由于其中流过的电流通常较大，即使电源和地铜结构中的电阻很小，也会造成显著的功率消耗（损耗）和压降。

图 2：“IR 压降”效应

图 2 举例说明了未充分考虑电源和地铜结构电阻时可能出现的问题。 尽管每个铜结构的电阻都相对较小，仅为 0.25Ω，但它们仍使负载端的电压从 5V 降至 4.5V。 设计人员必须注意这一压降，确保设计能够承受该压降，或修改设计以减小压降，从而确保最终设计不会在实际使用中失效。

不过，这个问题似乎很容易解决——只需根据以下关系式，将电源和地铜结构做得足够短或足够大，使其电阻小到可以忽略不计：R = ρ * L/A，其中：

• R为铜结构（走线或平面）的总电阻
• ρ为铜结构所用材料的电阻率（通常为铜，ρ ≈ 1.7µΩ-cm）
• L为铜结构的长度
• A为铜结构的横截面积（宽度 x 厚度）

简而言之，将电源和地铜结构做得短、厚、宽，就能最大限度地减小其电阻。

然而，难点在于，过大的铜结构会占用宝贵的布线空间，并可能限制其他电压铜结构的可用空间。 与随意使用过大平面或走线的设计相比，电源和地铜结构尺寸合理的设计会更加紧凑，所需层数也更少。 PI-DC 分析旨在帮助设计人员确认电路板设计中的电源和地铜结构既能满足需求，又不会过大。

对于 IR 压降，还需要考虑的一点是，功耗为 I2R，因此，流经电阻的电流略微增加，就会导致功耗大幅增加。 这可能表现为热问题：由于电源和/或地铜结构不够大，无法承载流经它们的电流，设计会显著发热。 确保电源和地铜结构上的 IR 压降非常小，就能最大限度地降低这些铜结构中的功耗。

在极端情况下，如果某个铜结构的电阻足够大（非常窄且长），且流经它的电流足够大，该铜结构实际上就会变成“保险丝”，导致铜结构熔断，使设计失效，甚至可能造成危险。 针对 PCB 载流能力的 IPC-2152 标准涵盖了这一问题，但采用了偏保守的假设（例如，附近没有导热铜来帮助散热），而设计人员在应用该规范时，往往还会采用最保守的条件，例如仅允许极小的温升。 虽然 PI-DC 不能取代 IPC-2152 标准作为热设计的指导依据，但通过研究供电系统的压降和电流密度，它可以为如何安全地优化设计提供有价值的参考。 通过优化设计，使电源与所有负载之间的电流密度和压降尽可能低，也能减少发热，降低出现热问题的可能性。

PI-DC 分析还涉及供电所用的过孔数量。 这个问题与合理确定铜结构尺寸非常相似：如果过孔数量不足，IR 压降就会造成电压降低和功率损耗；但如果使用的过孔过多，则会浪费宝贵的布线空间。 尤其是，如果某个电压路径使用了过多的过孔，这些过孔会穿过其他层上的铜结构，减小其铜横截面积，从而影响其他电压的供电。 与正确确定铜结构尺寸一样，分析负载点的电压有助于合理确定过孔的尺寸和/或数量。

最后，完全按照最终设计的实际物理形态进行仿真，对于确保设计得到优化具有显著优势。 例如，如果设计过程中移除或增加了负载，PI-DC 仿真可作为最终检查，确保连接器和稳压器的规格选择恰当。

如果缺乏关于 PCB 各种电源铜皮、接地铜皮和过孔上压降的可靠数据，设计人员就不得不采取保守策略，使用过大的平面铜皮、过宽的走线和过多的过孔。这会占用宝贵的设计空间，增加层数并增大设计的外形尺寸。  Altium PDN Analyzer 以简单易用的方式，提供有关设计直流配电适用性的准确信息，帮助设计人员实现尽可能高效的配电设计。

分析结果不仅适用于最终设计验证，还可在设计规划阶段使用，以便提前构建尽可能高效的供电架构。  PI-DC 是实现高效、稳健的供电网络的宝贵工具，而 PDN Analyzer 则让仿真和分析过程变得简单、直观且高效。

除了上述及其他优势外，PDN Analyzer 还为 PCB 设计带来以下益处：

• 产品可靠性：帮助确保设计中各路电源在稳态电压水平、电压稳定性以及走线发热和损坏等方面满足正常工作要求。
• 改进 PCB 布局：提供有助于充分利用电路板空间的信息，并可轻松识别和修正存在问题的高电流密度区域。
• 掌握准确信息：在规划直流电流路径布局时，无需再依赖经验法则或近似计算。

PDN Analyzer 仿真

最基本的 PI-DC 分析对象可以是一块包含稳压器电源及其负载的电路板，两者通过不同形状的铜区和不同宽度的走线互连。

包含电源和负载的基本电路示例。

基本电路的 PCB 布局，其中包含通过各层和过孔连接的多种铜皮和走线。

PDN Analyzer 面板界面（Tools » PDN Analyzer）以可视化方式呈现从电源到负载的电路网络，其中包含实际的电源和接地路径，与上述电路及概念框图（图 1）所示类似。该应用程序会自动从当前活动的 PCB 设计中提取所有物理和电气信息（网表、器件和各层铜皮等），为 PI-DC 仿真引擎提供数据。

PDN Analyzer  面板界面，显示基本电路及电路板布局的 PI 仿真设置。

在此示例中，电压源为 U1 的输出（引脚 3 和引脚 2 之间为 5V），负载则为流经 RL 的指定电流（0.1A）。通过界面输入初始参数（电源/负载电压和电流等）并运行仿真后，分析结果数据会在 PCB 编辑器中以渲染的 2D 或 3D 图像呈现。

电路板 PWR 和 GND 网络铜皮的压降仿真结果（U1 到 RL，以及 RL 到 U1）。

PDN Analyzer PI 仿真可设置为显示所有适用电路板层的电压（IR 压降，上图）或电流密度（下图）结果。

PWR 和 GND 两个网络的电流密度分布图（U1 到 RL）。

► 有关使用 PDN Analyzer 及解读其结果的完整说明，请参阅 PDN Analyzer 示例指南。