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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

2022-08-02
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Author:pcb

Aujourd'hui, Il est difficile de concevoir un système électronique à grEte vitesse sans maîtriser complètement les caractéristiques du système d'alimentation de la puce., Structure de l'emballage, Et PCB board. En fait,, Pour une tension d'alimentation plus basse, Vitesse de commutation du signal plus rapide, Plus grande intégration, Et une demande de plus en plus exigeante, 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, Les ressources matérielles sont investies dans l'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, Surtout en informatique, Semi - conducteurs, Communications, Réseau, Et l'industrie de l'électronique grand public. Avec l'extension 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 1.30 nm à la technologie de 90 nm, Comme prévu, la tension d'alimentation sera réduite à 1.2V ou moins, Et le courant va augmenter considérablement. Contrôle dynamique des fluctuations de tension en courant alternatif du point de vue de la chute de tension en courant continu infrarouge, 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

1. Généralités PCB board power supply system design

En général, l'impédance d'entrée entre l'alimentation électrique et la mise à la terre 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 de pression IR dans l'analyse en courant continu. 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, 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 simuler et analyser ces facteurs. Par exemple, une application très répandue de l'impédance d'entrée de l'alimentation au sol consiste à évaluer l'emplacement des condensateurs de couplage à bord. En plaçant un certain nombre de condensateurs de découplage sur la carte de circuit, la résonance unique de la carte de circuit peut être supprimée, ce qui réduit la production de bruit et le rayonnement de bord de la carte de circuit, afin d'atténuer le problème de compatibilité électromagnétique. Afin d'améliorer la fiabilité du système d'alimentation électrique et de réduire les coûts de fabrication, les ingénieurs de conception du système doivent souvent réfléchir à la façon de choisir la disposition du système du condensateur de découplage de façon rentable. Le système d'alimentation électrique d'un système de circuit à grande vitesse peut généralement être divisé en trois sous - systèmes physiques: la puce, le circuit intégré et la carte PCB. Le réseau électrique de la puce est constitué de couches métalliques multicouches placées alternativement. Chaque couche métallique se compose de bandes métalliques dans la direction X ou y pour former une grille d'alimentation électrique ou de mise à la terre, et des bandes métalliques dans différentes couches sont reliées par des trous. Pour certaines puces haute performance, de nombreuses unités de découplage sont intégrées dans l'alimentation du cœur ou de l'io. Les structures encapsulées de circuits intégrés, telles que les PCB simplifiés, ont des alimentations multicouches ou des plans de mise à la terre de formes complexes. 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 alimentation électrique continue à grande surface et un plan de mise à la terre, ainsi qu'un certain nombre de grands et petits ensembles de condensateurs de découplage discrets et un module de rectification de puissance (vrm). Les fils de liaison, les languettes C4 et les billes de soudage relient les puces, les paquets et les PCB. L'ensemble du système d'alimentation électrique doit assurer une tension constante dans la plage normale pour chaque dispositif 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 à l'aide de la formule suivante: Z est l'impédance d'entrée observée à l'appareil entre l'alimentation électrique de l'ensemble du système d'alimentation électrique et le sol. Afin de réduire les fluctuations de tension, maintenir une faible résistance entre l'alimentation électrique et la mise à la terre. Dans le cas du courant continu, comme Z devient une résistance pure, la faible résistance correspond à une chute de tension IR de faible puissance. 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 plan de retour et de référence du signal, de sorte qu'il existe une relation étroite entre le système d'alimentation électrique et le système de distribution du signal. Cependant, en raison de contraintes d'espace, les phénomènes de bruit et les problèmes de contrôle de la boucle de courant introduits par le bruit de commutation synchrone (io SSO) dans le système d'alimentation ne seront pas discutés ici. Les sections suivantes ignorent le système de signalisation et se concentrent uniquement sur l'analyse du système d'alimentation électrique.


2. Chute de tension infrarouge en courant continu

En raison de la petite taille caractéristique (quelques microns ou moins) du réseau électrique à puce, la perte de résistance dans la puce est grave, de sorte que la chute d'IR dans la puce a été largement étudiée. La chute de tension IR sur les PCB (dans la gamme des dizaines à des centaines de millivolts) aura également un impact plus important sur la conception des systèmes à grande vitesse dans les cas suivants. Au niveau du tableau d'alimentation, la structure suisse des échecs, la structure du cou et le câblage dynamique conduisent à la Division du plan du tableau; Le nombre de broches de l'appareil, de trous de travers, de billes de soudage et de bosses C4 n'est pas suffisant et le courant passe à travers ces bosses sur la couche du tableau d'alimentation. L'épaisseur insuffisante du panneau d'alimentation, le déséquilibre de la trajectoire du courant, etc.; La conception du système exige une faible tension, un courant élevé et une gamme compacte de flotteurs de tension. Par exemple, en raison du grand nombre de trous de travers et de contre - soudures, les dispositifs à haute densité et à grand nombre de broches produisent généralement ce qu'on appelle l'effet de structure suisse Checker sur la structure d'encapsulation des puces et la couche de distribution des PCB. La structure des échecs suisses produit de nombreuses petites zones métalliques à haute résistance. En raison de cette trajectoire de courant de haute résistance dans le système d'alimentation électrique, la tension ou le courant transmis aux composants du PCB peut être inférieur 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 le placement et le câblage avant et arrière en analysant les possibilités. L'ingénieur de la disposition, l'ingénieur des systèmes, l'Ingénieur de l'intégrité du signal et l'Ingénieur de la conception de l'alimentation électrique peuvent également inclure l'analyse de la chute de tension IR dans le gestionnaire des contraintes comme dernière étape de la vérification des règles de conception pour chaque grille d'alimentation électrique et de mise à La terre sur un PCB. Outil d'inspection (RDC). Ce processus de conception par 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 localiser avec précision les distributions critiques de tension et de courant dans le système d'alimentation sur les PCB à haute performance.


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

Beaucoup de gens savent qu'une paire de tôles constitue un condensateur à plaque, donc ils pensent que la caractéristique de la couche de panneau d'alimentation est de fournir un condensateur à plaque pour assurer la stabilité de la tension d'alimentation. Lorsque la fréquence est faible et que l'onde de signal est longue au - dessus de la taille du panneau, la couche du panneau d'alimentation et le plancher forment 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 panneaux 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 en courant alternatif, la résonance de l'impédance de l'alimentation au sol du PCB est un phénomène unique. Les systèmes d'alimentation à faible résistance (de DC à AC) sont essentiels pour obtenir des fluctuations de basse tension: la réduction de l'effet inductif, l'augmentation de l'effet capacitif et l'élimination ou la réduction des pics de résonance sont des objectifs de conception.


4. Afin de réduire l'impédance du système d'alimentation électrique, les lignes directrices de conception suivantes 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 courant de placer des condensateurs de découplage discrets sur les PCB.


5. Utilisez sigrity powersi pour calculer l'impédance d'entrée du système d'alimentation:

Il n'y a pas de module de rectification de puissance ni de condensateur de découplage sur la carte de circuit.

Le module redresseur de puissance est simulé comme un court - circuit et aucun condensateur de découplage n'est placé sur la carte.

Le module redresseur de puissance est simulé par un court - circuit et un condensateur de découplage est placé sur la plaque.

L'impédance d'entrée du système d'alimentation observée à la position de la puce IC est Capacitive à basse fréquence. À mesure que la fréquence augmente, un pic de résonance naturelle se produit à 800 MHz. La longueur d'onde de cette fréquence correspond à la taille du plan de mise à la terre de l'alimentation électrique. Cela correspond exactement à l'inductance de boucle de la position de la puce IC au module redresseur de puissance. L'inductance de la boucle, ainsi que la capacité de la plaque, introduit un pic de résonance à 200 MHz. Après avoir placé quelques condensateurs de découplage sur la plaque, le pic de résonance de 200 MHz a été déplacé à très basse fréquence (< 20 MHz) et le pic de résonance a été considérablement réduit. De forts pics de résonance apparaissent à environ 1 GHz. On peut voir qu'en plaçant un condensateur de découplage discret sur un PCB, le système d'alimentation électrique peut obtenir une réponse d'impédance AC faible et lisse dans la gamme de fréquences de fonctionnement principale. Par conséquent, le système d'alimentation sera également moins bruyant. La mise en place d'un condensateur de découplage discret sur la carte de circuit donne au concepteur la flexibilité d'ajuster l'impédance du système d'alimentation afin d'obtenir un faible bruit d'alimentation au sol. Cependant, la façon de choisir l'emplacement, le nombre et le type de condensateur de découplage restent une série de problèmes de conception. Par conséquent, il est souvent nécessaire de trouver des solutions de découplage pour des conceptions spécifiques, d'utiliser un logiciel de conception approprié et d'effectuer une simulation approfondie du système d'alimentation électrique.


6. Concept de conception commune

La gamme de fréquences des condensateurs de découplage discrets placés sur les PCB ne peut atteindre que quelques centaines de MHz. Quelle que soit la fréquence, the parasitic inductance of each discrete decoupling capacitor and the loop inductance of the board and Par trou (capacitor to chip) will greatly reduce the decoupling effect. Il n'est pas possible de placer des condensateurs de découplage discrets uniquement sur les PCB. Autres, Réduire l'impédance d'entrée du système d'alimentation. De quelques centaines de MHz à des fréquences supérieures, the inter-board capacitance of the power supply system of the Colis structure, Et un condensateur de découplage discret placé sur une structure encapsulée fonctionnera. à la gamme de fréquences GHz, La capacité entre le réseau électrique sur la puce et le condensateur de découplage sur la puce est la solution de découplage. La ligne rouge est l'impédance d'entrée d'un condensateur de découplage discret placé sur un PCB. Le premier pic de résonance se produit entre 600MHZ et 700mhz. Après examen de la structure de l'emballage, L'inductance de la structure d'emballage supplémentaire déplace le pic de résonance à environ 450 MHz, Tu vois la Ligne bleue?. Après avoir inclus le système d'alimentation à puce, Les condensateurs de découplage dans la puce éliminent ces pics de résonance à haute fréquence, Mais en même temps, un pic de résonance très faible de 30 MHz est introduit, Tu vois la Ligne verte?. Cette résonance de 30 MHz se manifestera dans le domaine temporel comme une vallée de tension sur l'enveloppe if du signal de retournement à haute fréquence. Le découplage sur puce est très efficace, mais le coût est d'utiliser un espace précieux sur puce et de consommer plus de courant de fuite. Le déplacement d'un condensateur découplé à l'intérieur d'une puce vers une structure encapsulée peut être un bon compromis, Mais il faut que les concepteurs commencent par la puce pour comprendre l'ensemble du système., Et Encapsulation PCB board.