在高性能PCB布局原理的概述中，Joe Aguilar阐述了热设计方法，提供了电力输送网络(PDN)的简介，讲述了路由高电流与降低阻抗的策略，并为设计有效的去耦电容提供了重要的考虑因素。

高性能计算的电源设计:任务关键型PCB

电源系统设计通常侧重于转换器、分立元件和从电源到负载所需的附件——将印刷电路板(PCB)视为安装和路由平面，主要依靠反馈和控制电路来补偿典型PCB中的许多小损耗和阻抗。然而，近年来，用于人工智能(AI)和超级计算的处理器等高密度负载变得更加复杂，速度也快得多，推动每个组件都以最大能力运行。

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严格的电压调节要求和极高的瞬态转换率意味着系统内的每一个电压降源和每一个功率损失源，无论多小，都有可测量的负面影响。因此，PCB布局对于实现高性能功率至关重要。本文简要概述了高性能PCB布局的原理，包括热设计方法，功率传输网络(PDN)的概述，采用降低阻抗的高电流路由策略，以及设计有效去耦电容的一些重要考虑因素。图1显示了Vicor为测试和演示创建的设计，本文将使用该设计。

图1:在Vicor的这款测试板中，安装在高密度PCB上的一个PRM™稳压器和两个VTM™电流倍增器为模拟高性能计算处理器的负载模块供电。在操作中，一个冷板或散热器将安装在VTMs和负载模块上，另一个散热器将安装在PRM上。

热设计

电力系统设计中热管理的目标是将热量有效地从产热结点转移到环境空气中。一些转移会自然发生，但即使在传统设计中，通常也需要添加散热器和风扇。高密度系统需要在设计过程的早期对PCB进行详细的传热分析，以便最大限度地利用PCB本身作为热导体。

图2。传导到PCB和通过PCB是高密度热管理的重要组成部分，需要使用等效电路来确定最有效的热路径(a)， (b)。良好的热设计优化传导和对流传热模式(c)。

电力系统中的主要热源是有源部件的内部连接，如电源转换器。尽管为了拓扑热模型的目的，它们可以表示为等效电路一端的节点(见图2(a))。为了到达电力系统周围的环境空气，来自该内部结的热量必须通过的每个组件或材料都可以表示为一个阻碍热量流向环境空气的电阻。一个等效热电路显示了最明显的路径热量从一个功率转换器的内部结:通过外壳，热界面材料(TIM)，最后散热到环境空气。它还显示了通过PCB的第二条不太明显的平行路径。第二种方法经常被忽视，但是很难夸大它对于高密度电源设计的重要性。

由于每个网或土地的热阻抗不同，热模型会变得相当复杂。无论复杂性如何，热模型将识别具有最低阻抗路径的网络，以将热量从组件的内部结带走。然后，设计师可以利用这些信息，通过增加专用于该网络的铜来最大化热传导，即延伸外部铜平面，并使用热通孔来增加表面积，超过最小值，以增加热下沉潜力。在适当的地方可以使用各种类型的过孔:堆叠和埋藏过孔，VIPPOs和传统的通孔过孔都是设计师工具包中的有效选择。

生产概述

PDN阻抗，特别是PCB内的阻抗，是高密度计算能力系统的关键焦点领域。这些系统以极高的频率运行。在典型的高性能计算能力系统中，PDN由电压调节器输出和感测点之间的几个元件组成，感测点通常位于CPU内部的晶片上或球栅阵列(BGA)互连上。旁路电容、带相关通孔的去耦电容和BGA互连构成了PDN的分立元件。由强大的超级计算处理器产生的高频负载步骤非常快，以至于控制回路几乎无法将PDN的影响降至最低。这就是为什么PDN是设计中不可或缺的一部分。

图3。电压调节器和CPU负载之间的PDN离散组件中的阻抗，特别是在高频和大负载步长时，会严重影响电源设计的有效性。

大电流路由:降低PDN阻抗

预先定义PCB堆叠和平面图是至关重要的，包括总层数，专用于电源和地面的层数，以及使用的铜重量。接下来，确定用于路由信号连续地平面的专用层。然后，定义需要阻抗控制路由、有寄生限制或带来其他特殊考虑的任何网络所需的层。在设计1000安培或更多的大电流处理器时，正确地做到这一点是至关重要的。

一些估计技术将加快PCB设计的早期阶段，使其更容易使用仿真来进一步完善设计。用平方法估算铜平面电阻率是一种简单有效的方法。平方法的一种变体也可用于估计相邻功率面和返回面的电感。

图4。功率平面电阻和电感的平方估计方法。

过孔电阻和电感也可以通过简单的基于几何的计算来估计，因为过孔可以被定义为轧制成管的薄铜片。因此，通孔电阻(R)等于电镀电阻率(R)和通孔长度(L)除以电镀截面积(A)的乘积。

图5。Via阻力可以用简单的基于几何的经验法则来估计。

寄生电容是PCB中阻抗的另一个重要来源，因此在任何模拟中都有必要包括它。与电阻和电感的估计一样，PCB中寄生电容的近似计算是从基本物理特性开始的;一般情况下，一对平行导体平面之间的电容随表面积成比例增加;它也与介电间距成反比。

图6。PCB中的寄生电容是两个平面共用面积的函数，这些平面之间的距离和材料的标称介电常数。
来源:高速模拟设计与应用研讨会

去耦电容

高密度电力系统需要精心挑选的去耦电容器来过滤高频开关噪声。这种应用要求电容器表现出非常低的等效串联电阻(ESR)和适当的高自谐振频率-超过这一点，电容器就不再是高频噪声的有效滤波器，因为它的阻抗由于等效串联电感(ESL)而变成电感。电容值在整体上甚至可以不那么重要。

图7。电容的选择和通孔的放置对于实现高频开关噪声的低阻抗滤波至关重要。

实现低ESR和低ESL是第一个目标，为此，设计师应该考虑更小的低电感和反几何电容器，将正负端子更紧密地放置在一起，并增加自谐振频率。仔细放置元件和通孔对于最小化回路电感是很重要的。

一个设计用于在10,000A/µs处理1000A负载步骤的系统示例显示了放置在非常接近功率模块的0402去耦电容器如何衰减纹波，而插座中的其他电容器则从PDN上去耦负载。

图8。适当的电容器选择和放置使用高性能通孔排列使1000A负载步骤在10000 a /µs成为可能。

考虑到当今先进处理器对电流水平和电压精度的不断增加的功率要求，为高性能计算和人工智能设计pdn是一项复杂的挑战。因此，需要为热和PDN设计提供最新的建模和估计技术，以及先进的组件选择和放置标准。

关于这个话题的更深入的讨论可以在Vicor按需网络研讨会中获得，高性能PCB布局和热设计技术．