Elektronisches Design - Analyse der Leistungsintegrität des Leiterplattendesigns

In PCB-Design, Die Bereitstellung einer stabilen Spannung für das Signal und die richtige Spannungsverteilung sind zwei grundlegende Ziele bei der Auslegung eines Stromversorgungssystems. Mit dem Auftreten von Signalintegritätsproblemen, Reflexionen, Übersprechen, etc. beeinträchtigt die Stabilität des Stromsystems. Gekoppelt mit der kontinuierlichen Reduzierung der Chipbetriebsspannung, Die Schwankung der Stromversorgung beeinträchtigt den normalen Betrieb des Systems. Die Analyse der Leistungsintegrität soll eine stabile und zuverlässige Stromversorgung in der Leiterplatte gewährleisten.

Überblick über die Analyse der Leistungsintegrität

Leistungsintegrität bezieht sich auf die Qualität der Leistungswellenform im System. Wenn die Schaltgeschwindigkeit des IC-Ausgangs zunimmt, wird die Kantenrate des Signals, das heißt die Signalauf- und -fallzeit, schnell reduziert, und die Stromleitung leidet aufgrund ihrer parasitären Induktivität unter einem erheblichen Spannungsabfall. Bei Signalrandraten kleiner als 1ns ist die Spannung zwischen der Leistungsschicht und der Masseschicht auf der Leiterplatte überall auf der Leiterplatte unterschiedlich, was die Stabilität der Chip-Stromversorgung beeinflusst und sogar die Logik des Chips verursacht

Die Faktoren, die Instabilität des Stromsystems verursachen, sind synchrones Schaltrauschen, nicht-idealer Einfluss der Stromversorgungsimpedanz, Resonanz- und Kanteneffekte. Im Allgemeinen ist synchrones Schaltrauschen die Hauptquelle für Stromversorgungsgeräusche. Aufgrund der parasitären Induktivität der Erdungsleitung und der Ebene wird unter Einwirkung des Schaltstroms eine bestimmte Spannungsschwankung verursacht.

Das heißt:, die Bezugsmasse des Gerätes ist nicht mehr auf Nullebene. Daher, Das vom Antriebsende zu sendende Bodenniveau ändert sich. Entsprechende Störwellenform erscheint. Die Phase der Störwellenform ist die gleiche wie das Erdrauschen. Für die Schaltsignalwellenform, Der Einfluss des Erdgeräusches bewirkt, dass sich die fallende Kante des Signals verlangsamt; am Empfangsende, Die Signalwellenform wird auch durch das Erdrauschen gestört. Allerdings, Die Phase der Störwellenform ist gegenüber der des Erdrauschens. Darüber hinaus, in einigen Speicherkomponenten, Es ist möglich, dass Stromrauschen und Bodenrauschen unerwartete Dateninversionen verursachen können.

In Hochfrequenzschaltungen gibt es eine große Anzahl von parasitären Parametern in der Leistungsebene. Diese parasitären Parameter können als LC-Resonanznetzwerk oder Resonanzkavität betrachtet werden, die aus vielen Induktivitäten und Kondensatoren besteht. Bei einer bestimmten Frequenz resonieren diese Kondensatoren und Induktivitäten und beeinflussen dadurch die Impedanz der Leistungsschicht. Neben dem Resonanzeffekt ist auch der Kanteneffekt der Leistungsebene und der Erdungsebene ein Problem, das bei der Stromversorgung beachtet werden muss. Der Kanteneffekt bezieht sich hier auf das Phänomen Kantenreflexion und Strahlung. Die Größe der kupferplattierten Oberfläche am Rand der Leiterplatte ist begrenzt, so dass elektromagnetische Störungen anfällig sind. Entkopplungskondensatoren werden in der Regel in das Projekt hinzugefügt, um den Kantenstrahlungseffekt zu reduzieren und den Zweck zu erreichen, das Rauschen der Leistungsebene zu unterdrücken.

Synchrones Schaltgeräusch

Synchrones Schaltgeräusch (SSN) is mainly produced by the synchronous switching output accompanying the device. Je schneller die Schaltgeschwindigkeit, je deutlicher die momentane Stromänderung, und je größer die Induktivität auf der Stromschleife, je stärker das synchrone Schaltgeräusch erzeugt wird. Es ist zu sehen, dass die Größe des synchronen Schaltrauschens vom I abhängt./O Eigenschaften der integrierten Schaltung, die Impedanz der Leistungs- und Masseebene des Leiterplatte, und das Layout und die Verdrahtung von Hochgeschwindigkeitsgeräten auf der Leiterplatte.

Entsprechend verschiedenen Rücklaufwegen kann synchrones Schaltrauschen in Off-Chip Schaltrauschen und On-Chip Schaltrauschen unterteilt werden. Das Off-Chip-Schaltrauschen bezieht sich auf das Rauschen, das erzeugt wird, wenn der vom Signalschalter zurückgegebene Strom die Signalleitung und die Leistungs-/Masseebene durchläuft; Wenn sich der Schaltzustand ändert, verläuft der Stromrücklauf durch die Leistung und Masse anstelle der Signalleitung, das Rauschen zu diesem Zeitpunkt ist On-Chip Schaltrauschen. Die Verringerung des Schaltrauschens im Chip wird hauptsächlich erreicht, indem die Induktivität des Pfades, durch den das Schaltsignal fließt, verringert oder die Veränderungsrate des Schaltsignals verlangsamt wird, um die induzierte Spannung zu reduzieren. Die Verringerung des Off-Chip Schaltrausches kann erreicht werden, indem die Schaltrate des internen Treibers des Chips und die Anzahl der simultanen Schalter verringert wird, wobei der langsamste Kantenratechip verwendet wird, der die Timing-Anforderungen erfüllen kann; oder durch Verringerung der Induktivität der Paketschleife, Erhöhung der Kopplungsinduktivität des Signals und der Stromversorgung zur Erde; Ein Bypass-Kondensator kann auch innerhalb des Gehäuses verwendet werden, um die Stromversorgung und Masse zu ermöglichen, die Stromschleife zu teilen und die äquivalente Induktivität des Rücklaufweges zu reduzieren.

Leiterplattenleistungsverteilung Design

Stromversorgungsgeräusche stammen zu einem großen Teil von nicht idealen Stromverteilungssystemen. Das Stromverteilungssystem soll allen Geräten im System genügend Strom zur Verfügung stellen. Diese Geräte benötigen nicht nur ausreichende Leistungsverluste, sondern haben auch bestimmte Anforderungen an die Stabilität der Stromversorgung. Da es immer Impedanz in der tatsächlichen Leistungsebene gibt, tritt bei einem momentanen Strom ein Spannungsabfall auf, der zu Leistungsschwankungen führt. Die meisten Geräte benötigen Leistungsschwankungen innerhalb von ±5% der Normalspannung. Um sicherzustellen, dass jedes Gerät normal arbeiten kann, sollte die Impedanz der Leistungsebene so weit wie möglich reduziert werden. Bei relativ hoher Betriebsfrequenz ist es notwendig, die Gleichstromimpedanz des Widerstands und die durch die Induktivität verursachte Wechselstromimpedanz zu berechnen. Wenn Sie die Impedanz des Netzteils steuern, können Sie den Innenwiderstand des Netzteils verringern, indem Sie Materialien mit geringem Widerstand und kurzen und dicken Stromleitungen verwenden. Die Stromversorgung sollte so nah wie möglich am Boden sein, und Entkopplungskondensatoren können verwendet werden, um den Widerstand der Stromversorgung zu verringern. Und Induktivität, wodurch die Impedanz der Stromversorgung verringert wird.