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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

2022-08-03
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Author:pcb

Hoy., El diseño del sistema electrónico de alta velocidad es difícil de lograr si no se dominan plenamente 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 una demYa cada vez más desafiante, 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, Los recursos materiales se invierten en el análisis del sistema de suministro de energía.. Este analysis and design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, Especialmente en informática, Semiconductor, Comunicaciones, Red, Industria electrónica de consumo. Con la inevitable expansión de la tecnología vlsi, El voltaje de alimentación del CI seguirá disminuyendo. A medida que más y más fabricantes pasan de la tecnología de 1.30 nm a la tecnología de 90 nm, Se prevé que la tensión de alimentación disminuirá a 1.2 v o menos, Y la corriente eléctrica aumentará significativamente. Control de fluctuación de tensión dinámica AC desde el punto de vista de la caída de tensión DC - ir, 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

1. Panorama general PCB Board power supply system design

En el análisis de CA, la Impedancia de entrada entre la fuente de alimentación y la puesta a tierra es una observación importante para medir las características del sistema de alimentación. La determinación de los valores observados se convierte en el cálculo de la caída de presión 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 a través y los pines, Etc.. el concepto de impedancia de entrada entre la puesta a tierra de la fuente de alimentación se puede utilizar para simular y analizar los factores mencionados anteriormente. Por ejemplo, una aplicación muy amplia de la Impedancia de entrada de la fuente de alimentación a la tierra es la evaluación de la posición del condensador de acoplamiento a bordo. Al colocar un cierto número de condensadores de desacoplamiento en la placa de Circuito, se puede suprimir la resonancia única de la placa de Circuito, reduciendo así la generación de ruido y 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 energía 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 en el chip consiste en capas metálicas alternas de varias capas. Cada capa metálica consiste en una tira metálica en la dirección X o y para formar una fuente de alimentación o una red de puesta a tierra, y las tiras metálicas de diferentes capas están conectadas a través de agujeros. Para algunos chips de alto rendimiento, muchas unidades de desacoplamiento están integradas en la fuente de alimentación del núcleo o io. Una estructura de paquete de circuitos integrados, como una placa de PCB simplificada, tiene una fuente de alimentación multicapa o un plano de tierra con formas complejas. 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 un plano de tierra, as í como algunos conjuntos de condensadores de desacoplamiento discretos grandes y pequeños, y un módulo de rectificador de potencia (VRM). Los cables de unión, las proyecciones 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. Z es la Impedancia de entrada entre la fuente de alimentación y el suelo 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, la baja resistencia corresponde a una caída de tensión ir de baja potencia, ya que Z se convierte en resistencia pura. 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 planos de retorno y referencia de la señal, por lo que existe una estrecha relación entre el sistema de alimentación y el sistema de distribución de la señal. Sin embargo, debido a las limitaciones de espacio, no se discute el fenómeno del ruido de conmutación sincrónica (Io SSO) en el sistema de potencia y el control del bucle de corriente. Las siguientes secciones pasarán por alto el sistema de señales y se centrarán únicamente en el análisis del sistema de potencia.


2. 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. La caída de tensión ir en el PCB (en el rango de decenas a cientos de milivoltios) también tendrá un mayor impacto en el diseño del sistema 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 del ajedrez suizo, la estructura bajo el cuello y el cableado dinámico (figura 1); Pin del equipo, a través del agujero, bola de soldadura y bulto C4, la corriente pasa a través de la capa de la placa de alimentación. El número de la placa de alimentación es insuficiente, el espesor de la placa de alimentación es insuficiente, la trayectoria de la corriente es desequilibrada, etc. El diseño del sistema requiere baja tensión, alta corriente y un rango de fluctuación de tensión más estricto. Por ejemplo, debido a un gran número de orificios y almohadillas de soldadura inversa, los dispositivos de alta densidad y alto número de pines suelen tener el llamado efecto de estructura de tablero de ajedrez suizo en la estructura de embalaje de chips y la capa de distribución de PCB. 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 o la corriente que se envía al componente 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 enrutamiento hacia adelante y hacia atrás 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 gestor de restricciones como último paso en la comprobación de las reglas de diseño para cada fuente de alimentación y tabla de red de puesta a tierra en el PCB. Compruebe la herramienta (DRC). Este proceso de diseño puede evitar problemas de diseño y enrutamiento en la compleja estructura del sistema de energía a través del análisis automático 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 localizar con precisión la distribución crítica de tensión y corriente en el sistema de alimentación de PCB de alto rendimiento.


3. 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 plano, por lo que creen que la característica de la capa de la placa de alimentación es proporcionar un condensador plano 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 el campo electromagnético correspondiente se propaga entre las placas de acuerdo con el principio de la línea de transmisión. Cuando la señal de ruido se propaga al borde del panel, parte de la energía de alta frecuencia se irradia, pero más 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 de CA, la resonancia de la Impedancia de la fuente de alimentación de PCB a la tierra es un fenómeno único. El sistema de alimentación de baja resistencia (de DC a AC) es la clave para obtener la fluctuación de baja tensión. El objetivo del diseño es reducir el efecto de Inductancia, aumentar el efecto de Capacitancia y eliminar o reducir el pico de resonancia. Con el fin de reducir la impedancia del sistema de potencia, deben seguirse los siguientes criterios 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 de resonancia, la colocación de condensadores discretos de desacoplamiento en PCB se ha convertido en un método común. Impedancia de entrada del sistema de potencia calculada usando sigrity powersi:

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

El módulo rectificador de potencia se simula como un cortocircuito y no se coloca ningún condensador de desacoplamiento en el tablero.

El módulo rectificador de potencia se simula mediante cortocircuito y se coloca un condensador de desacoplamiento en el tablero.

La colocación de condensadores de desacoplamiento discretos en el tablero de circuitos da a los diseñadores la flexibilidad de ajustar la impedancia del sistema de potencia para lograr un menor ruido de la fuente de alimentación al suelo. Sin embargo, cómo elegir la posición de colocación, cuánto elegir y qué condensador de desacoplamiento elegir sigue siendo una serie de problemas de diseño. Por lo tanto, es necesario buscar la solución de desacoplamiento para el diseño específico, y utilizar el software de diseño adecuado, y llevar a cabo una amplia simulación del sistema de energía.


4. Concepto de diseño colaborativo

Los condensadores discretos de desacoplamiento colocados en PCB tienen un rango de frecuencia de sólo unos pocos cientos de MHz. No importa cuán alta sea la frecuencia, the parasitic inductance of each discrete decoupling capacitor and the loop inductance of the board and A través del agujero (capacitor to chip) will greatly reduce the decoupling effect. No es posible colocar condensadores discretos de desacoplamiento sólo en PCB. Further, Reducir la Impedancia de entrada del sistema de potencia. De varios cientos de MHz a frecuencias más altas, the inter-board capacitance of the power supply system of the Paquete structure, Y los condensadores discretos de desacoplamiento colocados en la estructura del paquete funcionarán. Rango de frecuencia a GHz, La Capacitancia entre la red eléctrica en el chip y el condensador de desacoplamiento en el chip es la solución de desacoplamiento. La línea roja es la Impedancia de entrada después de colocar algunos condensadores discretos de desacoplamiento en el PCB. El primer pico de resonancia aparece entre 600mhz y 700mhz. Después de considerar la encapsulación, La Inductancia del paquete adicional mueve el pico de resonancia a aproximadamente 450 MHz, ¿Ves la Línea Azul?. Después de incluir el sistema de alimentación del chip, Los condensadores de desacoplamiento en el chip eliminan estos picos de resonancia de alta frecuencia, Pero también se introduce un pico de resonancia muy débil de 30 MHz., ¿Ves la línea verde?. La resonancia de 30 MHz se mostrará como un valle de tensión en la envoltura de frecuencia media de la señal de inversión de alta frecuencia en el dominio del tiempo.. El desacoplamiento en chip es muy eficaz, pero el costo es utilizar un valioso espacio en chip y consumir más corriente de fuga. Mover el condensador de desacoplamiento en el chip a la estructura del paquete puede ser un buen compromiso, Pero los diseñadores necesitan entender todo el sistema desde el principio., Estructura del paquete PCB Board.