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Simulation de PCB à grande vitesse pour l'intégrité de l'alimentation électrique
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Simulation de PCB à grande vitesse pour l'intégrité de l'alimentation électrique

2022-07-18
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Author:pcb

Le bord du signal est de plus en plus rapide, Problèmes rencontrés par les concepteurs de télévision numérique à grande vitesse d'aujourd'hui PCB board C'était inimaginable il y a quelques années.. Pour une variation du bord du signal inférieure à 1 nanoseconde, La tension entre la couche d'alimentation et la couche de sol sur le PCB est différente n'importe où sur la carte de circuit, Cela affecte la puissance de la puce IC et entraîne une erreur logique de la puce. Assurer le bon fonctionnement des équipements à grande vitesse, Le concepteur doit éliminer ces fluctuations de tension et maintenir une trajectoire de distribution à faible impédance.. Pour ce faire,, Vous devez ajouter des condensateurs de découplage à la carte de circuit pour réduire le bruit généré par les signaux à grande vitesse sur l'alimentation électrique et au sol. Vous devez savoir combien de condensateurs utiliser, Quelle est la valeur de chaque condensateur?, Et les mettre sur le tableau noir. D'une part,, Vous pourriez avoir besoin de beaucoup de condensateurs, D'un autre côté,, L'espace sur la carte de circuit est limité et précieux, Ces détails déterminent le succès ou l'échec de la conception..

PCB board

Les méthodes de conception d'essai et d'erreur sont longues et coûteuses, ce qui entraîne souvent une conception trop restrictive et, par conséquent, des coûts de fabrication inutiles. Il est plus pratique d'utiliser des outils logiciels pour simuler et optimiser la conception des circuits imprimés et l'utilisation des ressources des circuits imprimés. Ce processus est illustré par la conception d'une carte de circuit xdsm (multiplexage dense des sous - porteuses) pour les réseaux sans fil à large bande / fibre. L'outil de simulation logicielle utilise le logiciel Ansoft siwave, basé sur la technologie hybride Full Wave Finite Element, qui peut importer directement la conception de la carte de circuit à partir des outils de mise en page cadence Allegro, mentor Graphics Board station, synopsys entry et zuken Cr - 5000 Board designer. La figure 1 montre la disposition des PCB conçue dans siwave. Étant donné que la structure du PCB est plane, siwave peut effectuer une analyse complète, y compris la résonance, l'impédance, le paramètre s du réseau s électionné et le modèle Spice équivalent du circuit. Les dimensions des panneaux xdsm (c. - à - D. alimentation électrique et sol) sont de 11 x 7,2 pouces (28 x 18,3 cm). La couche d'alimentation électrique et la couche de mise à la terre sont toutes deux des feuilles de cuivre de 1,4 mil d'épaisseur séparées par une plaque de base de 23,98 mil d'épaisseur. Pour comprendre la conception d'une carte de circuit, considérez d'abord les caractéristiques de la carte nue (sans assemblage) de la carte de circuit xdsm. Selon le temps de montée du signal à grande vitesse sur la carte, vous devez comprendre le comportement de la carte dans le domaine de fréquence jusqu'à 2 GHz. La figure 2 montre la distribution de tension lorsque la carte de circuit excitée par le signal sinusoïdal résonne à 0,54 GHz. De même, les circuits imprimés résonnent à des fréquences de 0,81 GHz et 0,97 GHz et plus. Pour une meilleure compréhension, vous pouvez également simuler la distribution de tension entre l'alimentation électrique et le sol en mode résonance à ces fréquences.


En mode résonance de 0,54 GHz, la différence de tension entre la surface d'alimentation et le sol au centre de la carte devient nulle. Il en va de même pour certains modes de résonance à des fréquences plus élevées. Cela n'est pas vrai pour tous les modes de résonance, par exemple pour les modes de résonance d'ordre supérieur de 1,07 GHz, 1,64 GHz et 1,96 GHz, où la différence de tension au centre de la carte de circuit change à non - zéro. Trouver un point de changement de perte zéro nous aide à positionner les appareils qui nécessitent un changement de courant important en peu de temps. Par exemple, si vous placez une puce xinlix FPGA sur une carte de circuit, la puce produira un changement de courant d'entrée de 2a en 0,2 nanoseconde. Un tel changement de courant pendant une courte période causerait des problèmes d'intégrité de la puissance de la carte, ce qui entraînerait divers modes de résonance de la carte, ce qui entraînerait des tensions inégales sur les couches d'alimentation et de sol. Cependant, certains modes de résonance ont des caractéristiques d'atténuation nulle au centre de la carte de circuit, de sorte que le placement de la puce FPGA ici peut éviter ces modes de résonance à basse fréquence sur la carte de circuit. La puce FPGA ne peut pas exciter ces modes de résonance à basse fréquence parce qu'il n'est pas possible de les coupler du Centre de la carte. La courbe violette montre la résonance qui se produit lorsque la puce au centre de la carte tire le courant du plan d'alimentation. En fait, les pics se produisent aux fréquences de résonance d'ordre supérieur de 1,07 GHz, 1,64 GHz et 1,96 GHz, mais pas comme prévu aux fréquences de résonance d'ordre inférieur de 0,54 GHz, 0,81 GHz et 0,97 GHz. La courbe violette représente la résonance causée lorsque la puce au centre de la carte tire le courant du plan de puissance; La courbe verte montre la réponse lorsque la puce est hors du Centre.


Bien que le placement et le placement des appareils puissent aider à réduire les problèmes d'intégrité de l'alimentation électrique, ils ne résolvent pas tous les problèmes. Tout d'abord, vous ne pouvez pas mettre tous les composants critiques au centre de la carte de circuit. En général, la flexibilité du placement de l'équipement est limitée. Deuxièmement, certains modes de résonance sont excités à n'importe quel endroit donné. Par exemple, la courbe verte de la figure 3 montre que le mode de résonance de 0,54 GHz est activé lorsque vous déplacez la puce hors du Centre le long d'un axe. La clé du succès de la conception des PDS (systèmes de distribution) des circuits imprimés est d'ajouter des condensateurs de découplage aux endroits appropriés afin d'assurer l'intégrité de l'alimentation électrique et de s'assurer que le bruit de rebond au sol est suffisamment faible dans une gamme de fréquences suffisamment large.


Condensateur de découplage

Imaginez un FPGA s'affaisser 2a sur le bord ascendant de 0,2 NS, où la tension d'alimentation diminue temporairement (diminue) et la tension au niveau du sol augmente temporairement (rebond du sol). L'amplitude de la variation dépend de l'impédance de la carte de circuit et du condensateur de découplage utilisé pour fournir le courant à la broche de biais de la puce (figure 4a). Étant donné que la valeur transitoire du courant est 2A et que la valeur transitoire de la tension est déterminée par v = Z — I, Z est l'impédance observée du côté de la puce, pour éviter les fluctuations de crête de la tension, la valeur Z doit être inférieure à un certain seuil dans la gamme de fréquences allant du courant continu à la largeur de bande du signal. L'amplitude du changement dépend de l'impédance de la carte de circuit et du condensateur de découplage utilisé pour fournir le courant à la broche de biais de la puce; Pour éviter les pointes de tension, la valeur Z doit être inférieure à une fréquence spécifique dans la gamme de fréquences allant de DC à la largeur de bande du signal. Seuil. La partie pointillée de la figure est la zone cible à laquelle l'impédance PDS doit satisfaire. Dans cette conception, pour maintenir l'intégrité de l'alimentation électrique, la fluctuation de la tension d'alimentation au sol doit être maintenue à moins de 5% de la valeur standard de 3,3v. Par conséquent, le bruit ne doit pas être supérieur à 0,05 — 3,3v = 165 MV. Par conséquent, l'impédance du PDS peut être calculée selon la loi ohmique: 165 MV / 2A = 82,5mÎ.)

. pour les fréquences, généralement 1 kHz ou moins - l'alimentation électrique satisfait aux caractéristiques d'impédance et la structure de l'alimentation électrique et de la formation au sol ne détruit généralement pas les caractéristiques d'impédance parce qu'elles présentent des caractéristiques de faible résistance et d'inductance. Lorsque la fréquence est supérieure à 1 kHz, l'inductance mutuelle de la trajectoire du courant est suffisamment grande pour que la tension dépasse la valeur limite et, selon la fréquence supérieure, le condensateur de découplage est nécessaire comme connexion à faible impédance entre le plan de puissance et la terre. La largeur de bande du signal nécessaire pour satisfaire aux exigences d'impédance PDS peut être estimée par l'équation suivante: dans cette conception, la largeur de bande est de 1,75 GHz.


Pour obtenir une telle largeur de bande, il est généralement nécessaire de placer de nombreux Condensateurs céramiques à haute fréquence dans la région du signal MHz et de placer de plus grands condensateurs électrolytiques dans la région du signal kHz. Avec d'autres composants, ces matrices de condensateurs occupent un espace précieux sur la carte de circuit. Le prototypage physique est indispensable dans la conception d'essais et d'erreurs. La technologie de prototypage virtuel permet aux concepteurs de résoudre ce problème sans prototypage physique. Concevoir un PDS pour une carte PCB (par exemple, une carte xdsm dans ce cas), utiliser siwave pour placer des ports sur la puce IC et calculer l'impédance d'entrée de la carte dans la bande passante appropriée. La courbe rouge de la figure 5 montre l'impédance sans condensateur sur la carte de circuit. Les axes d'impédance et de fréquence sont des coordonnées logarithmiques. La simulation montre l'influence de la capacité de la carte de circuit elle - même, ignorant la boucle de courant à faible induction à travers l'alimentation électrique. Comme le montre la figure, l'impédance augmente avec la fréquence décroissante, mais comme la boucle passant par l'alimentation électrique a également une faible impédance, cette relation n'est pas stricte. La courbe Rouge indique l'impédance sans condensateur sur la carte de circuit; La courbe bleu foncé est la caractéristique d'impédance redessinée; La courbe bleu clair est la courbe d'impédance après addition de la matrice du condensateur 10nf. L'affichage de la courbe de couleur ajoute à nouveau une matrice de condensateur 1nf. Des résultats. Selon Z = 1 / (j·c), une ligne droite dans la courbe Rouge indique que la capacité de la carte elle - même est de 74 nf. Pour maintenir l'impédance en dessous de l'impédance cible de 82,5 m © à 1 MHz, la valeur du condensateur doit être au moins 2 µF - près de 30 fois la capacité de la carte elle - même. Pour ce faire, vous devez d'abord ajouter 22 matrices de condensateurs 0,1 ¼ f. La courbe bleu foncé de la figure est une caractéristique d'impédance redessinée. Dans la plupart des gammes de fréquences, la conception répond aux exigences des caractéristiques d'impédance. Cependant, à l'extrémité supérieure de la bande passante, l'ESL (inductance de série équivalente), l'esr (résistance de série équivalente) et l'inductance supplémentaire causée par l'espacement des condensateurs font que la courbe d'impédance ne répond pas aux exigences des caractéristiques d'impédance. Étant donné que les condensateurs plus petits ont de petites valeurs ESL et ESR, l'ajout d'un contournement peut aider à améliorer leurs caractéristiques à haute fréquence. La courbe bleu clair de la figure 5 est la courbe d'impédance après l'ajout d'une autre matrice de condensateur 10nf. La courbe verte montre les résultats après l'ajout d'une matrice de condensateur 1nf. L'ajout de chaque matrice de capacité améliore les caractéristiques d'impédance, mais les résultats sont encore suffisants pour répondre aux caractéristiques d'impédance. À ce stade de la conception, le concepteur peut ajouter la simulation électromagnétique à la simulation de circuit pour compléter la conception. Cette approche permet au concepteur de modéliser l'impédance latérale basse tension, y compris les effets de la charge d'alimentation. Il peut également stimuler directement le bruit sur la broche de puissance pour vérifier directement le bruit du plan de puissance et éviter les frais généraux de conception inutiles dus à une analyse excessive de l'impédance du plan de puissance.


Les ports d'entrée et de sortie doivent d'abord être ajoutés à l'emplacement sélectionné. Un port est ajouté à l'une des puces IC ci - dessus, puis un port est ajouté à l'entrée d'alimentation et deux ports sont ajoutés à la position d'installation des deux autres puces. Ensuite, dans siwave, un balayage à large bande peut être effectué pour obtenir une matrice de diffusion des paramètres 4x4 s sur toute la bande passante. Le Spice à pleine onde peut ensuite être utilisé pour générer des fichiers de circuits compatibles avec le Spice pour une analyse plus approfondie dans un environnement de simulation de circuits. Dans le fichier de circuit généré, la carte PCB est située au Centre du circuit. La documentation de circuit comprend également un modèle de FPGA - source de courant avec sonde de courant et sonde de tension différentielle. Le circuit Spice créé par Full Wave Spice comprend également les trois matrices de condensateurs décrites ci - dessus. L'ajout d'une quatrième matrice de condensateurs au circuit intégré réduira encore l'impédance latérale élevée. Le circuit comprend également une alimentation en courant continu avec un petit nombre de condensateurs de découplage allant de 1nf à 100 µF. Il comprend également un modèle de deux autres puces IC, entourées d'un petit réseau de condensateurs de 100 nf.


The blue and green curves represent Celui - ci. power integrity curves of the IC chip without adding and adding a set of capacitor matrices, Séparément. La courbe Rouge indique un changement soudain du courant d'entrée de la puce. Les résultats de la simulation du bruit de la tension d'alimentation de la FPGA sont présentés.. La courbe Rouge indique un changement soudain du courant d'entrée de la puce - courant de 0a à 2A / 0.2 nanosecondes. La courbe bleue représente la courbe de tension de la puce IC sans ajouter un ensemble de matrices de condensateur. Comparé à 3.3 volts, La tension a très peu fluctué., Mais il dépasse encore les spécifications de 5%.. La courbe verte représente la courbe de fluctuation de tension après l'ajout d'une quatrième matrice de condensateur, La conception finale satisfait aux exigences du Code pour les sources d'énergie dont le bruit est inférieur à 165 MV.. Les autres puces de la carte de circuit peuvent être analysées de la même façon pour s'assurer qu'elles ne sont pas affectées par la chute de puissance et le rebond au sol.. Dans ce cas,, Les deux autres puces consomment respectivement 100 ma et 50 mA, Leur contribution au bruit est relativement faible.PCB boardLa conception du niveau des circuits à grande vitesse est très difficile. Pour assurer le bon fonctionnement du circuit, Le PDS du circuit doit être soigneusement conçu, Comprend l'ajout de centaines de condensateurs de découplage à la carte de circuit et le choix de la valeur et de l'emplacement appropriés du condensateur au besoin. Optimisation de la conception de l'intégrité de la puissance du moteur par simulation de prototypes virtuels au lieu de la conception d'essais et d'erreursPCB board Peut efficacement raccourcir le cycle de conception et économiser les coûts de conception.