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Analyse et conception du système d'alimentation en PCB
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Analyse et conception du système d'alimentation en PCB

2022-07-21
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Author:pcb

Aujourd'hui, Conception du moteur à grEte vitesse PCB board Il est difficile de réussir un système électronique sans une connaissance approfondie des caractéristiques du système d'alimentation de la puce., Structure des paquets, Et PCB board. En fait,, Pour répondre à la basse tension d'alimentation, Vitesse d'inversion du signal plus rapide, Plus grande intégration, Et des exigences de plus en plus exigeantes, De nombreuses entreprises à l'avant - garde de la conception électronique assurent l'alimentation électrique pendant le processus de conception du produit.. Et intégrité du signal, Beaucoup d'argent., Population active, Analyse du système d'alimentation électrique. Celui - ci. analysis and design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, En particulier dans le domaine informatique, Semi - conducteurs, Communications, Réseau, Et l'électronique grand public. Avec l'expansion inévitable de la technologie VLSI, La tension d'alimentation du circuit intégré continuera de diminuer. À mesure que de plus en plus de fabricants passent de la technologie de 130 nm à la technologie de 90 nm, Comme prévu, la tension d'alimentation sera réduite à 1.2V ou moins, Et le courant augmente considérablement. Contrôle dynamique des fluctuations de tension de la chute de tension infrarouge en courant continu à la chute de tension en courant alternatif, Parce que la plage de bruit autorisée est de plus en plus petite, Cette tendance au développement pose de grands défis à la conception du système d'alimentation électrique..

PCB board

Aperçu de la conception du système d'alimentation en PCB

En général, l'impédance d'entrée entre la mise à la terre de l'alimentation électrique est une observation importante pour mesurer les caractéristiques du système d'alimentation électrique dans l'analyse en courant alternatif. La détermination de cette observation a évolué vers le calcul de la chute IR dans l'analyse DC. Qu'il s'agisse d'une analyse en courant continu ou en courant alternatif, les facteurs qui influent sur les caractéristiques du système d'alimentation électrique sont la stratification de la carte PCB, la forme du plan de la couche de la carte d'alimentation électrique, la disposition des composants et la distribution des trous et des broches, Attendez.. le concept d'impédance d'entrée entre la mise à la terre de l'alimentation électrique peut être utilisé pour la simulation et l'analyse des facteurs susmentionnés. Par exemple, une application très répandue de l'impédance d'entrée de la source d'énergie au sol consiste à évaluer l'emplacement des condensateurs de couplage à bord. La mise en place d'un certain nombre de condensateurs de découplage sur la carte de circuit peut supprimer la résonance unique de la carte de circuit elle - même, réduisant ainsi la production de bruit, et peut également réduire le rayonnement de bord de la carte de circuit pour atténuer le problème de compatibilité électromagnétique. Afin d'améliorer la fiabilité du système d'alimentation électrique et de réduire le coût de fabrication du système, les ingénieurs en conception de système doivent souvent réfléchir à la façon de choisir la disposition du système du condensateur de découplage de façon rentable. Les systèmes d'alimentation électrique des systèmes à grande vitesse peuvent généralement être divisés en trois sous - systèmes physiques: les puces, les circuits intégrés et les circuits imprimés. Le réseau électrique de la puce se compose de plusieurs couches métalliques placées alternativement. Chaque couche métallique se compose de bandes métalliques dans la direction X ou y formant un réseau d'alimentation électrique ou de mise à la terre avec des trous reliant différentes couches de bandes métalliques. Pour certaines puces haute performance, de nombreuses unités de découplage sont intégrées dans l'alimentation du cœur ou de l'io. La structure de l'emballage des circuits intégrés est similaire à celle d'une carte à PCB simplifiée, qui a plusieurs couches d'alimentation électrique ou de mise à la terre de forme complexe. Sur la surface supérieure de la structure encapsulée, il y a généralement une position de montage du condensateur de découplage. Les panneaux PCB contiennent généralement une grande surface continue d'alimentation électrique et de mise à la terre, ainsi qu'un certain nombre de condensateurs de découplage discrets de taille et un module de rectification de puissance (vrm). Les fils de liaison, les points saillants C4 et les billes de soudage relient les puces, les paquets et les PCB ensemble. L'ensemble du système d'alimentation électrique doit assurer une tension constante dans la plage normale pour chaque équipement de circuit intégré. Cependant, les courants de commutation et les effets parasites à haute fréquence dans ces systèmes d'alimentation introduisent toujours du bruit de tension. La variation de tension peut être calculée: où l'île V est la fluctuation de tension observée sur l'appareil et l'île I est le courant de commutation. Z est l'impédance d'entrée observée sur l'équipement entre l'alimentation électrique et la mise à la terre de l'ensemble du système d'alimentation électrique. Afin de réduire les fluctuations de tension, maintenir une faible résistance entre l'alimentation électrique et la mise à la terre. En courant continu, comme Z devient une résistance pure, la faible résistance correspond à une faible chute de tension d'alimentation. En courant alternatif, la faible résistance réduit également le bruit transitoire généré par le courant de commutation. Bien sûr, il faut que Z reste petit sur la large bande. Notez que l'alimentation électrique et la mise à la terre sont généralement utilisées comme boucles de signal et comme plan de référence, il existe une relation étroite entre le système d'alimentation électrique et le système de distribution du signal. Cependant, en raison de la limitation de l'espace, le phénomène du bruit et le contrôle de la boucle de courant dans le système d'alimentation électrique introduit par le bruit de commutation synchrone (io SSO) ne seront pas discutés dans cet article. Les sections suivantes ignorent le système de signalisation et se concentrent uniquement sur l'analyse du système d'alimentation électrique.


DC - chute de tension infrarouge

En raison de la petite taille caractéristique (quelques microns ou moins) du réseau électrique à puce et de la forte perte de résistance dans la puce, la chute de tension infrarouge dans la puce a été largement étudiée. La chute de tension IR sur les PCB (dans une gamme de dizaines à plusieurs centaines de MV) aura également un impact plus important sur la conception des systèmes à grande vitesse dans les cas suivants. Au niveau du panneau d'alimentation, le plan du panneau est divisé en raison de la structure de contrôle Swiss, de la structure de descente neck et du câblage dynamique (Figure 1); Le nombre insuffisant de broches de dispositif, de trous de travers, de billes de soudage et de panneaux d'alimentation en points saillants C4, l'épaisseur insuffisante des panneaux d'alimentation en courant, le déséquilibre de la trajectoire du courant, etc., qui traversent la couche du panneau d'alimentation en courant; La conception du système nécessite une faible tension, un courant élevé et une plage de flottaison de tension plus stricte. Par exemple, les appareils à haute densité et à haut nombre de broches produisent généralement ce qu'on appelle l'effet de structure Swiss Chess sur la structure d'encapsulation des puces et la couche de distribution des cartes à PCB en raison d'un grand nombre de trous de travers et de contre - soudures. La structure des échecs suisses produit de nombreuses petites zones métalliques à haute résistance. Selon le système d'alimentation, il existe une trajectoire de courant à haute résistance, de sorte que la tension actuellement envoyée aux composants du PCB peut être inférieure aux exigences de conception. Par conséquent, une bonne simulation de chute de tension DC - IR est essentielle pour estimer la plage de chute de tension admissible du système d'alimentation électrique. Fournir des solutions de conception ou des règles pour l'avant, l'arrière et le câblage en analysant les possibilités. L'ingénieur de la disposition, l'ingénieur des systèmes, l'Ingénieur de l'intégrité des signaux et l'Ingénieur de la conception de l'alimentation électrique peuvent également inclure l'analyse de la chute de tension IR dans le gestionnaire de la construction comme dernière étape de la vérification des règles de conception pour chaque grille d'alimentation et de mise à La terre sur un PCB. Outil d'inspection (RDC). Le processus de conception de l'analyse logicielle automatisée peut éviter les problèmes de mise en page et de câblage dans la structure complexe du système d'alimentation électrique qui ne peuvent être détectés par inspection visuelle ou même par expérience. La figure 2 montre que l'analyse de la chute de tension IR permet de déterminer avec précision la distribution des tensions et des courants critiques dans le système d'alimentation sur les PCB à haute performance.


Analyse de l'impédance de mise à la terre de l'alimentation en courant alternatif

Beaucoup de gens savent qu'une paire de plaques métalliques constitue un condensateur de plaque, donc ils pensent que la couche de plaque de puissance est caractérisée par la fourniture de la capacité de plaque pour assurer la stabilité de la tension d'alimentation. Lorsque la fréquence est plus faible et que l'onde de signal est plus grande que la taille du panneau à long terme, la couche du panneau d'alimentation et le plancher forment effectivement des condensateurs. Cependant, à mesure que la fréquence augmente, les caractéristiques du plan de puissance commencent à se compliquer. Plus précisément, une paire de panneaux plats constitue un système de lignes de transmission à panneaux plats. Le bruit ou le champ électromagnétique correspondant entre l'alimentation électrique et le sol se propage entre les circuits imprimés selon le principe de la ligne de transmission. Lorsque le signal sonore se propage au bord du panneau, une partie de l'énergie à haute fréquence est rayonnée, mais une plus grande partie est réfléchie en arrière. Plusieurs réflexions provenant de différentes limites de la plaque constituent un phénomène de résonance dans la plaque PCB. Dans l'analyse AC, la résonance de l'impédance de l'alimentation électrique au sol du PCB est un phénomène unique. Les caractéristiques d'impédance des condensateurs purs et des inducteurs Purs sont également tracées à des fins de comparaison. La taille de la plaque est de 30 cm — 20 cm, l'espacement entre les plaques est de 100 um et le milieu de remplissage est du matériau fr4. Le module redresseur de puissance de la plaque est remplacé par un inducteur 3nh. Il s'agit d'un condensateur de 20 NF avec une impédance Capacitive pure. Comme le montre la figure, lorsqu'il n'y a pas de module de rectification de puissance sur la plaque, les caractéristiques d'impédance (ligne rouge) de la plaque sont les mêmes que celles de la capacité (Ligne bleue) dans la gamme de fréquences de dizaines de mégaoctets. Au - dessus de 100 MHz, les caractéristiques d'impédance de la plaque sont sensibles (le long de la Ligne verte). Après avoir atteint une gamme de fréquences de plusieurs centaines de mégaoctets, plusieurs pics de résonance se sont produits, montrant les caractéristiques de résonance de la plaque, qui n'est plus purement inductive. Jusqu'à présent, il est évident que les systèmes d'alimentation à faible résistance (de DC à AC) sont essentiels pour obtenir des fluctuations de basse tension: la réduction des effets inductifs, l'augmentation des effets capacitifs et l'élimination ou la réduction de ces pics de résonance sont des objectifs de conception.


Afin de réduire l'impédance du système d'alimentation électrique, certaines lignes directrices de conception doivent être suivies:

Réduire la distance entre l'alimentation électrique et le plancher;

Augmenter la taille de la plaque;

Augmenter la constante diélectrique du milieu de remplissage;

Utiliser plusieurs paires de couches d'alimentation et de plancher.

Toutefois, en raison de considérations de fabrication ou d'autres considérations de conception, les ingénieurs concepteurs doivent également utiliser des méthodes plus souples et plus efficaces pour modifier l'impédance du système d'alimentation électrique. Afin de réduire l'impédance et d'éliminer ces pics de résonance, il est devenu courant de placer des condensateurs de découplage discrets sur les PCB.


L'impédance d'entrée du système d'alimentation électrique est calculée à l'aide de sigrity powersi:

Il n'y a pas de module de rectification de puissance et aucun condensateur de découplage n'est placé sur la plaque.

Le module de rectification de puissance est simulé par un court - circuit et aucun condensateur de découplage n'est placé sur le tableau.

Simuler le court - circuit du module de rectification de puissance et placer le condensateur de découplage sur la plaque.

Un condensateur de découplage discret est placé sur la carte de circuit pour permettre au concepteur de régler l'impédance du système d'alimentation de manière flexible afin d'obtenir un faible bruit de puissance au sol.. Cependant,, Comment choisir un emplacement de placement, Combien choisir?, Le choix du condensateur de découplage reste un problème de conception. Donc,, Il est souvent nécessaire de trouver des solutions de découplage pour des conceptions spécifiques et d'utiliser un logiciel de conception approprié pour une simulation étendue du système d'alimentation électrique. PCB board.