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Análisis y diseño del sistema de alimentación de PCB
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Análisis y diseño del sistema de alimentación de PCB

2022-07-21
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Author:pcb

Hoy., Diseño del motor de alta velocidad PCB Board El sistema electrónico no puede tener éxito si no domina completamente las características del sistema de alimentación del chip., Estructura del paquete, Y PCB Board. De hecho,, Para satisfacer la baja tensión de alimentación, Velocidad de inversión de la señal más rápida, Mayor integración, Y requisitos cada vez más desafiantes, Muchas empresas que están a la vanguardia del diseño electrónico garantizan el suministro de energía durante el proceso de diseño del producto. Integridad de la señal, Mucho dinero, Fuerza de trabajo, El análisis del sistema de suministro de energía se lleva a cabo mediante la introducción de la fuerza material.. Este analysis Y design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, Especialmente en el campo informático, Semiconductor, Comunicación, Red, Industria electrónica de consumo. Con la inevitable expansión de la tecnología vlsi, La tensión de alimentación del CI seguirá disminuyendo. A medida que más y más fabricantes pasan de la tecnología de 130 nm a la tecnología de 90 nm, Se prevé que la tensión de alimentación disminuirá a 1.2v o menos, Y la corriente eléctrica aumenta significativamente. De la caída de tensión infrarroja DC al control de fluctuación de tensión dinámica AC, Porque el rango de ruido permitido es cada vez más pequeño, Esta tendencia plantea un gran desafío al diseño del sistema de suministro de energía..

PCB Board

Resumen del diseño del sistema de alimentación de PCB

En el análisis de CA, la Impedancia de entrada entre la fuente de alimentación y la tierra es una observación importante para medir las características del sistema de alimentación. La determinación de esta observación evolucionó en el cálculo de la caída ir en el análisis DC. Tanto en el análisis DC como en el análisis AC, los factores que influyen en las características del sistema de alimentación son la estratificación de la placa de PCB, la forma del plano de la capa de la placa de alimentación, la disposición de los componentes y la distribución de los agujeros y los pines, Etc.. el concepto de impedancia de entrada entre la puesta a tierra de la fuente de alimentación se puede utilizar para la simulación y el análisis de los factores mencionados anteriormente. Por ejemplo, una aplicación muy amplia de la Impedancia de entrada de la fuente de alimentación a la tierra es evaluar la colocación de condensadores de acoplamiento a bordo. La colocación de un cierto número de condensadores de desacoplamiento en la placa de circuito puede suprimir la resonancia única de la propia placa de Circuito, reduciendo así la generación de ruido, y también puede reducir la radiación de borde de la placa de circuito para aliviar los problemas de compatibilidad electromagnética. Con el fin de mejorar la fiabilidad del sistema de alimentación y reducir el costo de fabricación del sistema, los ingenieros de diseño del sistema a menudo deben considerar cómo elegir el diseño del sistema del condensador de desacoplamiento de manera rentable. El sistema de alimentación eléctrica en el sistema de circuitos de alta velocidad se divide generalmente en tres subsistemas físicos: Chip, estructura de embalaje de circuitos integrados y PCB. La red eléctrica del chip consiste en varias capas metálicas colocadas alternativamente. Cada capa metálica consiste en una tira metálica en la dirección X o y que forma una fuente de alimentación o una red de puesta a tierra, y se conecta a través de agujeros con diferentes capas de tiras metálicas. Para algunos chips de alto rendimiento, muchas unidades de desacoplamiento están integradas en la fuente de alimentación del núcleo o io. La estructura del paquete IC es similar a la de la placa de PCB simplificada, y tiene una fuente de alimentación compleja de varias capas o una capa de tierra. En la superficie superior de la estructura del paquete, por lo general hay una posición de montaje del condensador de desacoplamiento. Los PCB suelen contener una fuente de alimentación continua de gran superficie y una capa de tierra, as í como algunos conjuntos de condensadores de desacoplamiento discretos de tamaño y un módulo de rectificación de potencia (VRM). Los cables de unión, las protuberancias C4 y las bolas de soldadura conectan el chip, el paquete y el PCB juntos. Todo el sistema de alimentación debe garantizar un voltaje estable dentro del rango normal para cada dispositivo IC. Sin embargo, la corriente de conmutación y el efecto parasitario de alta frecuencia en estos sistemas de alimentación siempre introducen ruido de tensión. Se puede calcular la variación de tensión: donde la isla V es la fluctuación de tensión observada en el dispositivo, y la isla I es la corriente de conmutación. Z es la Impedancia de entrada entre la fuente de alimentación y la puesta a tierra de todo el sistema de energía observado en el dispositivo. Para reducir las fluctuaciones de tensión, mantenga una baja resistencia entre la fuente de alimentación y la tierra. En el caso de DC, debido a que Z se convierte en resistencia pura, la baja resistencia corresponde a la baja caída de tensión de alimentación. La baja resistencia también reduce el ruido transitorio causado por la corriente de conmutación. Por supuesto, esto requiere que Z permanezca pequeño en la banda ancha. Tenga en cuenta que la fuente de alimentación y la puesta a tierra se utilizan generalmente como bucles de señal y planos de referencia, por lo que existe una estrecha relación entre el sistema de alimentación y el sistema de distribución de señales. Sin embargo, debido a la limitación de espacio, no se discutirá el fenómeno del ruido y el control del bucle de corriente en el sistema de potencia causado por el ruido de conmutación sincrónica (Io SSO). Las siguientes secciones pasarán por alto el sistema de señales y se centrarán únicamente en el análisis del sistema de potencia.


Caída de tensión DC - ir

Debido a que el tamaño característico de la red eléctrica del chip es muy pequeño (unos pocos micrómetros o incluso más pequeño), la pérdida de resistencia en el chip es grave, por lo que la caída de tensión infrarroja en el chip ha sido ampliamente estudiada. Las caídas de tensión ir en los PCB (en el rango de decenas a cientos de milivoltios) también pueden tener un mayor impacto en el diseño de sistemas de alta velocidad en los siguientes casos. En la capa de la placa de alimentación, el plano de la placa se divide debido a la estructura de control de Swiss, la estructura de abajo negro y el cableado dinámico (figura 1). La corriente pasa a través del pin del dispositivo, a través del agujero, la bola de soldadura y la placa de alimentación de la protuberancia C4, el espesor de la placa de alimentación es insuficiente, la trayectoria de corriente es desequilibrada, etc. El diseño del sistema requiere baja tensión, alta corriente y un rango de fluctuación de tensión más estricto. Por ejemplo, los dispositivos de alta densidad y número de pies ejecutivos suelen tener el llamado efecto de estructura de ajedrez suizo en la estructura del paquete de chips y la capa de distribución de PCB debido a un gran número de agujeros y almohadillas de respaldo. Las estructuras de ajedrez suizo producen muchas áreas metálicas diminutas de alta resistencia. Dependiendo del sistema de alimentación, hay una ruta de corriente de alta resistencia, por lo que el voltaje que se envía actualmente a los componentes en el PCB puede ser inferior a los requisitos de diseño. Por lo tanto, una buena simulación de caída de tensión DC - ir es la clave para estimar el rango de caída de tensión admisible del sistema de potencia. Proporcionar soluciones de diseño o reglas para la colocación y el enrutamiento analizando las posibilidades. Los ingenieros de diseño, los ingenieros de sistemas, los ingenieros de integridad de señales y los ingenieros de diseño de energía también pueden incorporar el análisis de caída de tensión ir en el administrador de restricciones como el último paso en la comprobación de las reglas de diseño para cada fuente de alimentación y tabla de red de tierra en el PCB. Compruebe la herramienta (DRC). Los problemas de diseño y enrutamiento en la estructura compleja del sistema de energía se pueden evitar mediante el análisis automático del flujo de diseño del software. Estos problemas no se pueden encontrar a través de la inspección visual o incluso la experiencia. La figura 2 muestra que el análisis de caída de tensión ir puede determinar con precisión la distribución de tensión crítica y corriente en el sistema de alimentación de PCB de alto rendimiento.


Análisis de la Impedancia de puesta a tierra de la fuente de alimentación de ca

Muchas personas saben que un par de placas metálicas forman un condensador de placas, por lo que creen que la capa de placas de potencia se caracteriza por proporcionar condensadores de placas para asegurar la estabilidad del voltaje de alimentación. Cuando la frecuencia es baja y la longitud de la onda de señal es mayor que el tamaño del panel, la capa de la placa de alimentación y el piso forman un condensador. Sin embargo, a medida que aumenta la frecuencia, las características de la capa de plano de potencia comienzan a complicarse. Más exactamente, un par de placas planas forman un sistema de línea de transmisión de placas planas. El ruido entre la fuente de alimentación y el suelo o los campos electromagnéticos correspondientes se propagan entre las placas de circuitos de acuerdo con el principio de la línea de transmisión. Cuando la señal de ruido se propaga al borde del panel, una parte de la energía de alta frecuencia se irradia, pero una parte más grande se refleja. Los múltiples reflejos de los diferentes límites de la placa forman el fenómeno de resonancia en la placa de PCB. En el análisis AC, la resonancia de impedancia de la fuente de alimentación de PCB a la tierra es un fenómeno único. Para la comparación, se dibujan las características de impedancia del condensador puro y la Inductancia pura. El tamaño de la placa es de 30 cm — 20 cm, la distancia entre las placas es de 100 um, y el medio de llenado es fr4. El módulo rectificador de potencia a bordo se sustituye por un inductor 3nh. Es un condensador de 20nf con características de impedancia capacitiva pura. Como se puede ver en la figura, cuando no hay módulo de rectificación de potencia en el tablero, las características de impedancia (Línea Roja) del tablero son las mismas que las del condensador (Línea Azul) en el rango de frecuencia de decenas de megabytes. A más de 100 MHz, las características de impedancia de la placa son inductivas (A lo largo de la Línea Verde). Después de alcanzar un rango de frecuencia de varios cientos de megabytes, varios picos de resonancia muestran las características de resonancia de la placa, que ya no es puramente inductiva. Hasta ahora, es evidente que el sistema de alimentación de baja resistencia (de DC a AC) es la clave para obtener fluctuaciones de baja tensión: reducir el efecto de Inductancia, aumentar el efecto de Capacitancia, eliminar o reducir estos picos de resonancia son objetivos de diseño.


Para reducir la impedancia del sistema de potencia, se deben seguir algunas directrices de diseño:

Reducir la distancia entre la fuente de alimentación y el piso;

Aumentar el tamaño de la placa;

Aumentar la constante dieléctrica de los medios llenos;

Use múltiples pares de capas de energía y suelos.

Sin embargo, debido a consideraciones de fabricación u otras consideraciones de diseño, los ingenieros de diseño también necesitan utilizar métodos más flexibles y eficaces para cambiar la impedancia del sistema de energía. Con el fin de reducir la impedancia y eliminar estos picos resonantes, la colocación de condensadores discretos de desacoplamiento en PCB se ha convertido en un método común.


La Impedancia de entrada del sistema de potencia se calcula utilizando sigrity powersi:

No hay módulo rectificador de potencia, no hay condensador de desacoplamiento en el tablero.

El módulo de rectificación de potencia se simula mediante cortocircuito, y no se coloca ningún condensador de desacoplamiento en el tablero.

Realizar la simulación de cortocircuito en el módulo de rectificación de potencia y colocar el condensador de desacoplamiento en el tablero.

El condensador de desacoplamiento discreto se coloca en el tablero de circuitos para que el diseñador pueda ajustar la impedancia del sistema de energía de manera flexible para lograr un menor ruido de potencia a tierra.. Sin embargo,, Cómo seleccionar una ubicación de colocación, Cuántos elegir, La selección del condensador de desacoplamiento sigue siendo una serie de problemas de diseño. Por consiguiente,, Por lo general, es necesario buscar la solución de desacoplamiento para el diseño específico, y utilizar el software de diseño adecuado para llevar a cabo una amplia simulación del sistema de energía. PCB Board.