matlab-analyze-pcb-pdn

分析电源分配网络（PDN）

适用场景

• 分析 PCB 电源轨上的直流电压和电流分布
• 检查设计规则（最大电流密度、电压裕量、过孔电流限制）
• 发现并列出导入的 PCB 布局中的电源网络
• 为 PDN 分析分配源／负载／检测拓扑
• 对电路板上的多个电源轨运行批量分析
• 根据标准 PCB 网络命名约定推断标称电压

不适用场景

• 导入 PCB 布局（Gerber、ODB++、Allegro）——使用 matlab-read-pcb-layout
• 分析 S 参数、场或电磁性能——使用 matlab-analyze-em
• 分析信号走线之间的串扰——使用 matlab-design-pcb-transmission-line
• 定义介质或导体材料——使用 matlab-manage-pcb-material
• 对过孔结构建模——使用 matlab-model-via

典型工作流

1. 之前： matlab-read-pcb-layout——从 Gerber／ODB++／Allegro 导入 PCB 布局
2. **此技能：**运行直流分析、检查 IR 压降、评估设计规则，并对网络进行批量分析
3. **之后：**在 CAD 中迭代物理设计并重新导入，或使用结果指导通过 matlab-manage-pcb-material 进行的叠层变更

快速参考

任务	代码
导入 PCB 布局	pcb = pcbFileRead('board_native')
列出所有网络	netList = cadnetList(pcb)
查找电源网络	使用 regexpi 过滤 cadnetList(pcb)（见下文）
查找指定电源轨	idx = ~cellfun(@isempty, regexpi(netList.CadnetName, "P0V8"))
推断电源轨电压	使用正则表达式辅助函数 parseNetVoltage 解析网络名称（见下文）
创建 cadnet	cnet = cadnet(pcb, 'P0V8')
显示 cadnet 布局	show(cnet)
查找网络上的元件	comps = findComponents(cnet)
按类型筛选	inductors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Inductor")
创建 PDN 模型	PDN = powerDistributionNetwork(cnet)
分配拓扑	setNetworkParameters(PDN, Source=src, Load=load, Sense=sense)
自动分配拓扑	setNetworkParameters(PDN, AutoAssignDefault='True')
设置直流参数	setDCParameters(PDN, "NominalVoltage", 0.8, "LoadCurrent", 1) % placeholder — ask user
设置直流规则	setDCRules(PDN, "MaxCurrentDensity", 0.5, "MinVoltage", 0.784)
电压分布	voltage(PDN)
显示违规项的电压	voltage(PDN, ShowViolation=true)
电流分布	current(PDN)
显示方向箭头的电流	current(PDN, Direction='on')

PCB 导入和网络发现

导入 PCB 布局

pcbFileRead 会导入 PCB 文件并返回一个对象，用于分层检查。支持的格式：原生目录（CSV 文件）、ODB++（压缩或未压缩）以及 Cadence Allegro .brd（需要一次性运行 extractaSetup()）。

% Native format (directory containing CSV files)
pcb = pcbFileRead(fullfile(boardDir, 'pcie5_native'));

% ODB++ format
pcb = pcbFileRead(fullfile(boardDir, 'myboard.zip'));

% Allegro .brd (run extractaSetup() once first)
extractaSetup();  % one-time setup for Allegro support
pcb = pcbFileRead(fullfile(boardDir, 'myboard.brd'));

返回的对象公开以下属性：NumLayers、NumCadnets、NumPadStacks、NumComponents、NumParts、LayerHeight。

列出所有网络

NetList = cadnetList(pcb);
disp(NetList);

返回一个包含以下列的表：CadnetIdx、CadnetName、NumPins、Length。实际电路板可能有 3000 多个网络。

查找电源网络

没有内置的 findPowerNets 函数。使用正则表达式筛选 cadnetList 的输出，根据名称识别电源和地网络：

netList = cadnetList(pcb);

% Define naming patterns (case-insensitive)
powerPatterns = ["^P\d+V", "^VDD", "^VCC", "^AVDD", "^DVDD", "^VDDO"];
groundPatterns = ["^GND", "^AGND", "^DGND", "^PGND", "^VSS", "^AVSS", "^DVSS"];

% Match power nets
isPower = false(height(netList), 1);
for p = powerPatterns
    isPower = isPower | ~cellfun(@isempty, regexpi(netList.CadnetName, p));
end
powerNets = sortrows(netList(isPower, :), 'NumPins', 'descend');

% Match ground nets
isGround = false(height(netList), 1);
for g = groundPatterns
    isGround = isGround | ~cellfun(@isempty, regexpi(netList.CadnetName, g));
end
groundNets = sortrows(netList(isGround, :), 'NumPins', 'descend');

% Filter by minimum pin count
minPins = 5;
powerNets = powerNets(powerNets.NumPins >= minPins, :);

% Search for a specific pattern (e.g., 0.8V rails)
idx = ~cellfun(@isempty, regexpi(powerNets.CadnetName, "P0V8"));
rails_0v8 = powerNets(idx, :);

常见电源网络命名约定（不区分大小写）：

• 电源轨：P<digit>V<digit>（P0V8、P3V3_AUX、P12V）、VDD*、VCC*、AVDD*、DVDD*、VDDO*
• 地网络：GND*、AGND*、DGND*、PGND*、VSS*、AVSS*、DVSS*

根据网络名称推断电源轨电压

没有内置的 inferRailVoltage 函数。使用正则表达式从网络名称中解析电压：

function nomV = parseNetVoltage(netName)
    netName = string(netName);
    % Pattern: P<int>V<frac> (e.g., P0V8 → 0.8, P3V3 → 3.3, P12V → 12.0)
    tok = regexp(netName, '(?i)P(\d+)V(\d*)', 'tokens');
    if ~isempty(tok)
        intPart = str2double(tok{1}{1});
        fracStr = tok{1}{2};
        if isempty(fracStr)
            nomV = intPart;
        else
            nomV = intPart + str2double(fracStr) / 10^numel(fracStr);
        end
        return;
    end
    % Pattern: explicit decimal (e.g., 3.3V, 1.8V)
    tok = regexp(netName, '(\d+\.\d+)\s*V', 'tokens');
    if ~isempty(tok)
        nomV = str2double(tok{1}{1});
        return;
    end
    % Pattern: millivolt (e.g., 800MV → 0.8)
    tok = regexp(netName, '(\d+)\s*MV', 'tokens', 'ignorecase');
    if ~isempty(tok)
        nomV = str2double(tok{1}{1}) / 1000;
        return;
    end
    nomV = NaN;
end

在循环中使用：

for k = 1:height(powerNets)
    netName = powerNets.CadnetName{k};
    nomV = parseNetVoltage(netName);
    fprintf('%s → %.2f V\n', netName, nomV);
end

cadnet 对象

创建 Cadnet

cnet = cadnet(pcb, 'P0V8');

属性：

属性	描述
NumPins	网络上的引脚数量
NumSurfaces	铜表面的数量
NumVias	过孔数量
NumTraces	走线数量
TotalLength	走线总长度
EntityList	所有实体的列表
Voltage	标称电压
LayerRange	网络跨越的层

可视化 Cadnet

show(cnet);

查找连通组件

findComponents 返回一个包含以下列的表：Refdes、PinList、ComponentType、Part。

% All components on the net
allComps = findComponents(cnet);

% Filter by component type
inductors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Inductor");
ics       = findComponents(cnet, "ComponentType", "IC");
resistors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Resistor");
caps      = findComponents(cnet, "ComponentType", "Capacitor");

Refdes 值是字符串，可直接用于 setNetworkParameters 中的 Source/Load/Sense 赋值。

获取 Cadnet 详细数据

data = cadnetData(cnet);
s = shapes(cnet);

powerDistributionNetwork 对象

创建 PDN 模型

PDN = powerDistributionNetwork(cnet);

属性：

属性	描述
NetType	网络类型
Source	源组件
Load	负载组件
Sense	检测组件
PlatingThickness	过孔孔壁镀层厚度（英寸）
NominalVoltage	标称电压（V）
LoadCurrent	负载电流（A）
MaxCurrentDensity	最大电流密度（mA/mil²）
MinVoltage	最低允许电压（V）
MaxVoltage	最高允许电压（V）
MaxViaCurrent	最大过孔电流（mA）

PDN 配置

setNetworkParameters —— 赋值 Source、Load、Sense 和镀层厚度

使用 findComponents 的输出配置拓扑：

% Manual assignment using RefDes from findComponents
setNetworkParameters(PDN, ...
    Source=sourceRefDes, ...
    Load=sinkRefDes, ...
    Sense=senseRefDes, ...
    PlatingThickness=0.002);

% Auto-assign defaults (fallback when topology is unclear)
setNetworkParameters(PDN, AutoAssignDefault='True');

• Source —— 电源的 RefDes（通常为电感）。对于多相电源轨，请使用所有电感。
• Load —— 负载的 RefDes（通常为 IC）。请使用网络上的所有 IC。
• Sense —— 检测组件的 RefDes（通常为电阻或测试点）。
• PlatingThickness —— 过孔孔壁镀层厚度，单位为英寸（例如，0.002 = 2 mil ≈ 1.4 oz 铜厚）。

检测组件解析

Sense 参数为必填项。如果网络上没有测试点，请使用电阻作为检测组件：

tp = findComponents(cnet, 'ComponentType', 'Test Point');
if ~isempty(tp)
    senseRef = tp.Refdes;
else
    res = findComponents(cnet, 'ComponentType', 'Resistor');
    senseRef = res.Refdes(1);  % use first resistor as sense fallback
end
setNetworkParameters(PDN, Source=src, Load=load, Sense=senseRef, ...
    PlatingThickness=0.002);

多相电源轨

对于多相 VRM 设计，多个电感为同一电源轨供电。请始终将所有电感用作 Source，而不只是第一个：

inductors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Inductor");
setNetworkParameters(PDN, Source=inductors.Refdes);  % handles multiphase

setDCParameters —— 设置电气参数

setDCParameters(PDN, "NominalVoltage", 0.8, "LoadCurrent", 1);  % placeholder — ask user for actual value

setDCRules —— 设置直流设计规则

setDCRules(PDN, ...
    "MaxCurrentDensity", 0.5, ...
    "MaxVoltage", 0.816, ...
    "MinVoltage", 0.784, ...
    "MaxViaCurrent", 500);

直流规则单位（混合单位——此 API 专用）：

属性	单位	描述
PlatingThickness	英寸	过孔孔壁镀层厚度（0.002 = 2 mil）
NominalVoltage	V	电源轨标称电压
LoadCurrent	A	每个负载端的预期负载电流
MaxCurrentDensity	mA/mil²	电流密度热限制
MinVoltage	V	最低允许绝对电压
MaxVoltage	V	最高允许绝对电压
MaxViaCurrent	mA	单个过孔允许通过的最大电流

电压容差指南：

电源轨电压	容差	MinVoltage	MaxVoltage
< 1 V	1–2%	P0V8：0.8 × 0.98 = 0.784 V	0.8 × 1.02 = 0.816 V
1–3.3 V	2–3%	P1V8：1.8 × 0.975 = 1.755 V	1.8 × 1.025 = 1.845 V
3.3–5 V	3–5%	P3V3：3.3 × 0.97 = 3.201 V	3.3 × 1.03 = 3.399 V

直流分析

电压分布

voltage(PDN);

% Show design rule violations
voltage(PDN, ShowViolation=true);

电流分布

current(PDN);

% Show current direction arrows
current(PDN, Direction='on');

分析前检查 PDN 配置

设置完成后，检查 PDN 模型属性以验证赋值：

PDN.Source
PDN.Load
PDN.Sense
PDN.NominalVoltage
PDN.LoadCurrent

工作流：单网络 PDN 分析

用于端到端分析单个电源网络的交互式工作流：

%% Step 1: Import the board
pcb = pcbFileRead(fullfile(boardDir, 'pcie5_native'));

%% Step 2: Identify power nets
netList = cadnetList(pcb);
powerPatterns = ["^P\d+V", "^VDD", "^VCC", "^AVDD", "^DVDD"];
isPower = false(height(netList), 1);
for p = powerPatterns
    isPower = isPower | ~cellfun(@isempty, regexpi(netList.CadnetName, p));
end
powerNets = sortrows(netList(isPower, :), 'NumPins', 'descend');
disp(powerNets);

%% Step 3: Create cadnet and inspect
cnet = cadnet(pcb, 'P0V8');
show(cnet);

%% Step 4: Discover components for topology assignment
allComps = findComponents(cnet);
inductors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Inductor");
ics       = findComponents(cnet, "ComponentType", "IC");
resistors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Resistor");

%% Step 5: Resolve voltage from net name
nomV = parseNetVoltage('P0V8');  % 0.8 V (see helper function above)

%% Step 6: Create and configure PDN
PDN = powerDistributionNetwork(cnet);

setNetworkParameters(PDN, ...
    Source=inductors.Refdes, ...
    Load=ics.Refdes, ...
    Sense=resistors.Refdes(1), ...
    PlatingThickness=0.002);

setDCParameters(PDN, "NominalVoltage", nomV, "LoadCurrent", 1);  % placeholder — ask user for actual value

tolerancePct = 0.02;  % 2% for <1V rails
setDCRules(PDN, ...
    "MaxCurrentDensity", 0.5, ...
    "MaxVoltage", nomV * (1 + tolerancePct), ...
    "MinVoltage", nomV * (1 - tolerancePct), ...
    "MaxViaCurrent", 500);

%% Step 7: Run analysis
voltage(PDN, ShowViolation=true);
current(PDN, Direction='on');

工作流：多网络批量分析

有关对电路板上的所有电源轨进行批量分析（包含跳过逻辑循环和逐电源轨规格表），请参阅 references/batch-analysis.md。

常见模式

组件 Refdes 的用法

findComponents 返回的 Refdes 为字符串，可直接用于 setNetworkParameters。请使用所有匹配的组件，而不只是第一个：

inductors = findComponents(cnet, "ComponentType", "Inductor");
setNetworkParameters(PDN, Source=inductors.Refdes);  % all inductors

何时使用 AutoAssignDefault

仅在以下情况使用 AutoAssignDefault='True'：

• 在网络上找不到电感（LDO 电源轨、由连接器供电的电源轨）
• 用户明确要求自动分配拓扑
• 准确性不重要的快速筛查模式

始终优先使用基于 findComponents 的显式分配。

Z 轴可视化

使用 daspect 查看 3D 视图中的 Z 轴细节：

ax = gca;
daspect(ax, [1, 1, 0.05]);

注意事项

1. inferRailVoltage 对无法识别的网络会返回 NaN。 在计算或显示结果前，使用 isnan() 进行保护（例如，string(NaN) 会生成 "NaN"，而不是 missing）。

2. setNetworkParameters 要求提供 Sense 参数。 如果网络上没有测试点，请使用电阻作为检测元件。省略 Sense 会导致分析出错。

3. AutoAssignDefault 是后备方案，而非首选。 对于复杂电源轨（LDO、由连接器供电），它可能会产生错误的拓扑分配。优先使用 findComponents 的输出进行显式分配。

4. 无法从电路板数据推断 LoadCurrent——请停止并询问。 与可以从网络名称解析的 NominalVoltage 不同，负载电流必须来自 IC 数据手册或系统功率预算。调用 setDCParameters 前，请询问用户实际负载电流，并停止执行——在用户回复前不要继续。 未经用户明确确认，不要假定为 1 A 或任何默认值。用户回复说没有该值或要求继续后，再提供以下估算选项并让其选择：

   • 按引脚估算： 每个负载引脚 0.5 A（例如，130 个引脚 → 65 A）
   • 基于 TDP 估算： 总功率预算 ÷ 电源轨电压（例如，40 W ÷ 0.8 V = 50 A）
   • 固定保守值： 每个负载 IC 取 10 A（用于快速筛查）
   • 1 A 占位值： 用于确认工作流能够端到端运行的最小值

只有在用户选择某个选项或提供数值后，才能继续调用 setDCParameters。

5. LoadCurrent 必须是向量，不能是标量总值。 当电源轨上存在多个负载 IC 时，setDCParameters 要求每个负载提供一个电流值。例如，负载 U1（4.8 A）和 U9（0.2 A）：setDCParameters(PDN, LoadCurrent=[4.8, 0.2])。当拓扑中有多个负载时，传入标量（例如 LoadCurrent=5）会报错。

6. PDN 的单位混用——并非全部采用 SI 单位。 PlatingThickness 的单位是英寸（不是米）：0.002 = 2 mil ≈ 1.4 oz 铜厚。MaxCurrentDensity 的单位是 mA/mil²（不是 A/mm²）。MaxViaCurrent 的单位是 mA（不是 A）。MinVoltage/MaxVoltage 是绝对电压，单位为伏特。电镀厚度使用米（例如 35e-6）或过孔电流使用安培（例如 1），都会导致结果严重错误。

7. 批处理模式：跳过，而不是阻塞。 如果某条电源轨缺少电压、电源或负载信息，请跳过该电源轨，并报告跳过了哪些电源轨以及原因。不要因为一条信息不完整的电源轨而中止整个批处理。

8. 大型电路板有 3000 多个网络。 cadnetList 会返回所有网络。使用 CadnetName 上的正则表达式过滤以缩小到电源/接地网络，然后进一步按 NumPins 或特定模式过滤。

9. cnet.Voltage 不可靠。 cadnet 对象的 Voltage 属性是根据 PCB 文件启发式填充的，即使是有效的电源轨，也经常返回 '0.000'。始终使用正则表达式从网络名称解析电压，不要依赖此属性。

10. 没有内置的 findPowerNets 或 inferRailVoltage。 这些并非 MATLAB 函数。使用 cadnetList(pcb) + regexpi 过滤来发现网络，并使用此技能中定义的 parseNetVoltage 辅助函数从网络名称推断电压。

11. .brd 文件需要 extracta——如果不可用，请停止。 如果用户只有 .brd 文件，且 extractaSetup() 返回 [] 或报错，请停止并告知用户：必须使用 extracta（来自 Cadence 安装）。提供以下替代方案：(a) 提供 extracta.exe 的路径；(b) 从 Allegro 导出为 ODB++ 或原生 CSV 格式；(c) 使用同事的 Cadence 安装进行转换。不要尝试变通方案。

相关技能

• matlab-read-pcb-layout -- 导入 PCB／封装布局以进行 PDN 分析
• matlab-manage-pcb-material -- 设置基板和导体材料
• matlab-model-via -- 为电源传输路径建立过孔模型
• matlab-analyze-em -- 电磁分析基础

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