Präzisions-Leiterplattenherstellung, Hochfrequenz-Leiterplatten, mehrschichtige Leiterplatten und Leiterplattenbestückung.
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Analyse und Design von PCB Board Netzteil System
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Analyse und Design von PCB Board Netzteil System

2022-07-21
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Author:pcb

Heute, die Konstruktion von Hochgeschwindigkeits- Leiterplatte Elektronische Systeme sind ohne ein gründliches Verständnis der Eigenschaften des Stromversorgungssystems des Chips schwer erfolgreich zu sein, die Paketstruktur, und die Leiterplatte. In der Tat, um niedrigere Versorgungsspannung zu erfüllen, schnellere Signalinversionsgeschwindigkeit, höhere Integration, und viele weitere und anspruchsvollere Anforderungen, Viele Unternehmen an der Spitze des elektronischen Designs sind im Produktdesignprozess, um die Stromversorgung sicherzustellen. Und Signalintegrität, viel Geld, Arbeitskräfte, Investitionen und materielle Ressourcen in die Analyse des Stromversorgungssystems. Die analysis und design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, vor allem im Computer, Halbleiter, Kommunikation, Vernetzung, und Unterhaltungselektronik. Mit der unvermeidlichen weiteren Skalierung der VLSI-Technologie, wird die Versorgungsspannung der integrierten Schaltungen weiter abnehmen. Da immer mehr Hersteller von 130nm Technologie zu 90nm Technologie wechseln, Es ist absehbar, dass die Versorgungsspannung auf 1 sinkt.2V oder sogar niedriger, während der Strom auch deutlich zunehmen wird. Aus der Perspektive des DC IR Spannungsabfalls zur dynamischen AC Spannungsschwankungssteuerung, weil der zulässige Geräuschbereich immer kleiner wird, Dieser Entwicklungstrend bringt große Herausforderungen an die Gestaltung von Stromversorgungssystemen mit sich.

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Übersicht über das Design des Netzteilsystems für Leiterplatten

Normalerweise ist in der AC-Analyse die Eingangsimpedanz zwischen der Stromversorgungserde eine wichtige Beobachtung, die verwendet wird, um die Eigenschaften des Stromversorgungssystems zu messen. Die Bestimmung dieser Beobachtung mündet in die Berechnung des IR-Tropfens in der DC-Analyse. Ob in der DC- oder Wechselstromanalyse, die Faktoren, die die Eigenschaften des Stromversorgungssystems beeinflussen, sind: die Schichtung der Leiterplatte, die Form der Leiterplattenschichtebene, das Layout der Komponenten und die Verteilung von Durchkontaktierungen und Pins usw. Das Konzept der Eingangsimpedanz zwischen Stromerde kann in der Simulation und Analyse der oben genannten Faktoren verwendet werden. Eine sehr breite Anwendung der Leistungs-Masse-Eingangsimpedanz besteht beispielsweise darin, die Platzierung von Entkopplungskondensatoren auf einer Platine zu bewerten. Mit einer bestimmten Anzahl von Entkopplungskondensatoren auf der Platine kann die einzigartige Resonanz der Platine selbst unterdrückt werden, wodurch die Erzeugung von Rauschen reduziert und auch die Randstrahlung der Platine reduziert wird, um Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit zu lindern. Um die Zuverlässigkeit des Stromversorgungssystems zu verbessern und die Herstellungskosten des Systems zu senken, müssen Systemkonstrukteure oft überlegen, wie das Systemlayout von Entkopplungskondensatoren kostengünstig ausgewählt werden kann. Das Stromversorgungssystem im Hochgeschwindigkeits-Schaltungssystem kann normalerweise in drei physikalische Subsysteme unterteilt werden: Chip, integrierte Schaltungs-Verpackungsstruktur und Leiterplatte. Das Stromnetz auf dem Chip besteht aus mehreren Schichten von Metallschichten, die abwechselnd angeordnet sind. Jede Metallschicht besteht aus Metallstreifen in X- oder Y-Richtung, um ein Strom- oder Erdungsgitter zu bilden, und Durchkontaktierungen verbinden die Metallstreifen verschiedener Schichten. Bei einigen Hochleistungschips sind viele Entkopplungseinheiten in die Stromversorgung des Core oder IO integriert. Die integrierte Schaltungspaketstruktur hat, wie eine reduzierte Leiterplatte, mehrere Schichten von Leistungs- oder Masseebenen mit komplexen Formen. Auf der Oberseite der Gehäusestruktur befinden sich üblicherweise Einbaupositionen für Entkopplungskondensatoren. Die Leiterplatte enthält normalerweise eine kontinuierliche großflächige Leistungs- und Masseebene sowie einige große und kleine diskrete Entkopplungskondensatorkomponenten und ein Leistungsgleichrichtermodul (VRM). Klebedrähte, C4-Stöße und Lötkugeln verbinden Chip, Paket und Leiterplatte miteinander. Das gesamte Stromversorgungssystem muss sicherstellen, dass jedes integrierte Schaltungsgerät im Normalbereich mit einer stabilen Spannung versorgt wird. Schaltströme und parasitäre Hochfrequenzeffekte in diesen Stromversorgungssystemen führen jedoch immer zu Spannungsrauschen. Seine Spannungsschwankung kann berechnet werden: wobei ΔV die am Gerät beobachtete Spannungsschwankung und ΔI der Schaltstrom ist. Z ist die Eingangsimpedanz zwischen Stromversorgung und Masse des gesamten Stromversorgungssystems, wie am Gerät beobachtet. Um Spannungsschwankungen zu reduzieren, halten Sie einen niedrigen Widerstand zwischen Strom und Masse. Im Falle von Gleichstrom, da Z ein reiner Widerstand wird, entspricht niedriger Widerstand einem niedrigen Spannungsabfall der Stromversorgung IR. Im AC-Fall reduziert der geringe Widerstand auch das transiente Rauschen, das durch den Schaltstrom erzeugt wird. Das erfordert natürlich, dass Z über ein breites Frequenzband klein gehalten wird. Beachten Sie, dass Strom und Masse oft als Signalrücklauf- und Referenzebene verwendet werden, so dass es eine enge Beziehung zwischen dem Stromversorgungssystem und dem Signalverteilungssystem gibt. Aus Platzgründen werden die durch synchrones Schaltrauschen (IO SSO) verursachten Rauschphänomene und Stromschleifenregelungsprobleme in Stromversorgungssystemen jedoch nicht diskutiert. Die folgenden Abschnitte ignorieren das Signalsystem und konzentrieren sich ausschließlich auf die Analyse des Stromversorgungssystems.


DC IR Tropfen

Da die Merkmalsgröße des Stromnetzes des Chips sehr klein ist (mehrere Mikrometer oder sogar kleiner), ist der Widerstandsverlust im Chip ernst, so dass der IR-Spannungsabfall im Chip weitreichend untersucht wurde. In den folgenden Fällen wird der IR-Spannungsabfall auf der Leiterplatte (im Bereich von zehn bis hundert Millivolt) auch einen größeren Einfluss auf das Hochgeschwindigkeitssystem-Design haben. Auf der Power Board-Schicht wird die Board-Ebene aufgrund der Swiss-Chess-Struktur, Hals-Down-Struktur und dynamischen Verdrahtung unterteilt (Abbildung 1); Gerätepins, Durchkontaktierungen, Lötkugeln und C4-Bumps, durch die Strom auf der Power Board-Schicht fließt Unzureichende Anzahl von Netzteilplatinen, unzureichende Dicke der Netzteilplatten, unausgewogene Stromwege usw.; Das Systemdesign erfordert Niederspannung, Hochstrom und einen engeren Spannungsschwebebereich. Zum Beispiel bildet ein Gerät mit hoher Dichte und hoher Pinzahl oft den sogenannten Swiss-Chess-Struktureffekt auf die Chippaketstruktur und die Stromverteilungsschicht der Leiterplatte aufgrund einer großen Anzahl von Durchkontaktierungen und Anti-Pads. Die Swiss-Chess Struktur erzeugt viele winzige Metallregionen mit hoher Widerstandsfähigkeit. Abhängig vom Stromversorgungssystem gibt es einen solchen Strompfad mit hohem Widerstand, dass die Spannung, die derzeit an die Komponenten auf der Leiterplatte gesendet wird, niedriger sein kann als die Designanforderungen. Daher ist eine gute DC-IR-Spannungsabfallsimulation der Schlüssel zur Schätzung des zulässigen Spannungsabfallbereichs des Stromversorgungssystems. Bereitstellung von Designlösungen oder Regeln für Pre- und Post-Placement und Routing durch Analyse verschiedener Möglichkeiten. Layoutingenieure, Systemingenieure, Signalintegritätsingenieure und Energiekonstrukteure können auch IR-Tropfenanalysen im Constraint Manager als letzten Schritt bei der Durchführung von Entwurfsregeln für jede Energie- und Erdnetzliste auf der Leiterplatte integrieren. Inspektionswerkzeug (DRK). Dieser Designfluss durch automatisierte Softwareanalyse kann Layout- und Verdrahtungsprobleme an komplexen Stromversorgungssystemen vermeiden, die durch visuelle Inspektion oder Erfahrung nicht gefunden werden können. Abbildung 2 zeigt, dass die IR-Tropfenanalyse die Verteilung kritischer Spannungen und Ströme in einem Stromversorgungssystem auf einer Hochleistungsplatine genau bestimmen kann.


Erdimpedanzanalyse für Wechselstrom

Viele Menschen wissen, dass ein Paar Metallplatten einen Plattenkondensator bilden, so dass sie denken, dass die Eigenschaft der Leistungsplattenschicht darin besteht, Plattenkapazität bereitzustellen, um die Stabilität der Versorgungsspannung sicherzustellen. Wenn die Frequenz niedrig ist und die Signalwellenlänge viel größer als die Größe des Panels ist, bilden die Power Board Schicht und der Boden einen Kondensator. Wenn die Frequenz jedoch zunimmt, beginnen die Eigenschaften der Leistungsebene Schicht kompliziert zu werden. Genauer gesagt stellt ein Flachplattenpaar ein Flachplattentransportleitungssystem dar. Das Rauschen zwischen Netzteil und Erde bzw. das entsprechende elektromagnetische Feld breitet sich nach dem Übertragungsleitungsprinzip zwischen den Platinen aus. Wenn sich das Rauschsignal an den Rand des Panels ausbreitet, wird ein Teil der Hochfrequenzenergie abgestrahlt, aber ein größerer Teil wird zurückgespiegelt. Mehrere Reflexionen von verschiedenen Grenzen der Platte bilden das Resonanzphänomen in der Leiterplatte. In der Wechselstromanalyse ist die Resonanz der Leistungs-Masse-Impedanz der Leiterplatte ein einzigartiges Phänomen. Zum Vergleich werden auch die Impedanzmerkmale eines reinen Kondensators und einer reinen Induktivität dargestellt. Die Größe des Brettes ist 30cmà n 20cm, der Abstand zwischen den Brettern ist 100um, und das Füllmedium ist FR4 Material. Das Gleichrichtermodul auf der Platine wird durch eine 3nH-Induktivität ersetzt. Es handelt sich um einen 20nF Kondensator, der eine rein kapazitive Impedanzkennlinie aufweist. Aus der Abbildung ist ersichtlich, dass, wenn es kein Leistungsgleichrichtermodul auf der Platine gibt, im Frequenzbereich von zehn Megabytes, die Impedanzmerkmale (rote Linie) der flachen Platte die gleiche wie die Kapazität (blaue Linie) sind. Über 100MHz sind die Impedanzmerkmale der Platte induktiv (entlang der grünen Linie). Nach Erreichen des Frequenzbereichs von mehreren hundert Megabytes zeigt das Auftreten mehrerer Resonanzspitzen die Resonanzeigenschaften der Platte, und die Platte ist nicht mehr rein induktiv. Mittlerweile ist klar, dass ein niederohmiges Stromversorgungssystem (von DC bis AC) der Schlüssel zur Erzielung von Niederspannungsschwankungen ist: Induktive Effekte zu reduzieren, kapazitive Effekte zu erhöhen und diese Resonanzspitzen zu beseitigen oder zu reduzieren sind Designziele.


Um die Impedanz eines Stromversorgungssystems zu reduzieren, sollten einige Designrichtlinien befolgt werden:

1) Verringern Sie den Abstand zwischen der Stromversorgung und der Bodenschicht;

2) Erhöhen Sie die Größe der Platte;

3) Verbessern Sie die dielektrische Konstante des Füllmediums;

4) Verwenden Sie mehrere Paare von Energie- und Bodenschichten.

Aufgrund von Herstellungs- oder anderen Designüberlegungen müssen Konstrukteure jedoch auch einige flexiblere und effektivere Methoden verwenden, um die Impedanz des Stromversorgungssystems zu ändern. Um die Impedanz zu reduzieren und diese Resonanzspitzen zu beseitigen, ist die Platzierung diskreter Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte eine gängige Methode geworden.


Die Eingangsimpedanz des Stromversorgungssystems wird mit Sigrity PowerSI berechnet:

a. Es gibt kein Gleichrichtermodul und keine Entkopplungskondensatoren werden auf der Platine platziert.

b. Das Leistungsgleichrichtermodul wird mit einem Kurzschluss simuliert, und es werden keine Entkopplungskondensatoren auf der Platine platziert.

c. Das Leistungsgleichrichtermodul wird mit einem Kurzschluss simuliert, und Entkopplungskondensatoren werden auf der Platine platziert.

Die Platzierung diskreter Entkopplungskondensatoren auf der Platine gibt Designern die Flexibilität, die Impedanz des Stromversorgungssystems anzupassen, um ein geringeres Power-to-Ground-Rauschen zu erzielen. Allerdings, wie man wählt, wo man es platzieren soll, wie viele zu wählen, und welche Art von Entkopplungskondensator zu wählen ist, bleibt eine Reihe von Designfragen. Daher, Es ist oft notwendig, Entkopplungslösungen für eine bestimmte Auslegung zu suchen und entsprechende Konstruktionssoftware zu verwenden und umfangreiche Simulationen des Stromversorgungssystems auf Leiterplatte.