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Technologie PCB

Technologie PCB - Méthode d'analyse de l'intégrité de l'alimentation PCB basée sur cadence Pi

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Technologie PCB - Méthode d'analyse de l'intégrité de l'alimentation PCB basée sur cadence Pi

Méthode d'analyse de l'intégrité de l'alimentation PCB basée sur cadence Pi

2021-08-23
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Author:IPCB

Résumé: pour résoudre le problème de l'intégrité de la puissance des circuits imprimés multicouches à grande vitesse, raccourcir leur cycle de développement et améliorer leurs performances, en prenant l'exemple du système ARM11 Core, une méthode d'analyse de l'intégrité de la puissance des circuits imprimés utilisant cadencepi a été proposée. Déterminer la valeur, le nombre et la disposition des condensateurs de découplage en analysant l'impédance cible du système électrique; Analyser les chutes de tension DC et les densités de courant dans le plan d'alimentation pour améliorer la conception du PCB et optimiser l'intégrité de l'alimentation du système. En utilisant une plate - forme de test construite avec une charge électronique dynamique pour tester le PCB résultant de l'analyse de simulation de puissance, l'intégrité de la puissance du système est bonne, ce qui indique que les résultats de l'analyse sont valides.


Comme les signaux modernes à grande vitesse sont de plus en plus rapides, les bords du signal sont de plus en plus raides, la tension d'alimentation de la puce est encore réduite et l'augmentation de la fréquence d'horloge et du taux de lecture des données nécessite plus de consommation d'énergie. Intégrité du signal dans les systèmes électroniques tout en analysant la recherche, la façon de fournir une alimentation stable et fiable aux systèmes électroniques est également devenue l'une des principales orientations de la recherche. Les méthodes analytiques et les pratiques d'ingénierie de l'intégrité électrique sont encore à un stade d'exploration constant. Les techniques de simulation sont utilisées pour résoudre le plus tôt possible les problèmes d'intégrité de l'alimentation électrique dans la conception du produit, conformément aux directives de planification et de conception générales qui répondent aux conditions de fabrication et d'essai. Il peut minimiser les coûts des produits et réduire les cycles de développement. Actuellement, certains outils EDA offrent des fonctionnalités d'analyse de simulation d'intégrité de puissance (PI) correspondantes. Parmi eux, Allegro offre une bonne interface de travail interactive et une intégration étroite avec ses produits frontaux cadence, Orcad et capture. La conception complexe de PCB en couches offre la solution la plus parfaite. Cet article utilise le composant cadence Pi dans allegro pour analyser l'intégrité de la puissance du système ARM11 Core et pour tester l'intégrité de la puissance de la carte PCB afin de valider les résultats de l'analyse de simulation.


1 analyse théorique de l'intégrité électrique


1.1 Concept de système de distribution


Dans les systèmes électroniques, le Sous - système d'alimentation a pour fonction de fournir une tension de référence stable et un courant d'entraînement suffisant à tous les appareils. Par conséquent, le circuit d'alimentation et le circuit fonctionnel doivent avoir une connexion d'alimentation à basse impédance et une connexion à la terre. Un système d'alimentation idéal a une impédance de 0 et un potentiel constant en tout point du plan, mais le système d'alimentation réel a une capacité parasite complexe et une inductance, et la tension d'alimentation fournie par la puce d'alimentation n'est pas une valeur constante idéale.


Le système de distribution électrique (PDS) se compose d'une impédance cible, d'un module régulateur de tension (VPM), d'un plan d'alimentation / masse, d'un condensateur de découplage et d'un condensateur céramique haute fréquence.


Le problème d'intégrité de puissance est que les réseaux de distribution dans les systèmes à grande vitesse ont des impédances d'entrée différentes à des fréquences différentes, ce qui entraîne une gigue de tension induite par le courant de bruit I et le courant de charge transitoire I 'sur le plan alimentation / masse. De telles fluctuations de tension affectent, d'une part, le plan fournissant une référence de tension stable au signal numérique et, d'autre part, provoquent une gigue de la tension d'alimentation fournie, affectant les performances du dispositif. Lorsque la tension plane fluctue au - delà de la plage de tolérance de l'appareil, le système ne fonctionnera pas correctement. La clé de la conception du système de distribution est l'impédance cible Z, définie par la formule (1):


Dans la formule, VDD est la tension d'alimentation de la puce, Ripple est la fluctuation de tension permise par le système et a³imax est la variation de courant transitoire maximale de la puce de charge. Le but d'un système d'alimentation est de pouvoir fournir un courant d'entraînement suffisant avec une valeur de tension constante pendant un temps de réponse limité, il doit donc avoir une impédance d'alimentation suffisamment faible.


1.2 méthodes de résolution de l'intégrité de l'alimentation


Le module de régulation de tension, le plan d'alimentation / masse, le condensateur de découplage et le condensateur céramique haute fréquence jouent un rôle décisif dans l'impédance du système de distribution dans différentes gammes de fréquences. Dans la gamme basse fréquence de 1 kHz à quelques Hz, la régulation de tension régule le courant de sortie pour réguler la tension de charge; Dans une gamme de fréquences intermédiaires allant de quelques MHz à quelques centaines de MHz, le bruit d'alimentation est filtré principalement par le couple alimentation / plan de masse du condensateur de découplage et du PCB; Au - dessus de 1 GHz dans la partie haute fréquence, le bruit d'alimentation est principalement filtré par la paire alimentation / plan de masse du PCB et le condensateur haute fréquence à l'intérieur de la puce. Lors de la réalisation de simulations d'intégrité de puissance, les bandes de fréquences réellement significatives se situent principalement dans des bandes de plusieurs MHz à plusieurs centaines de MHz. Actuellement, il existe principalement deux façons de résoudre le problème de l'intégrité électrique:


L'un est d'optimiser la conception et la disposition de l'empilement de PCB. Dans les conceptions de PCB à grande vitesse, il est courant d'utiliser toute la couche de cuivre comme plan d'alimentation / masse pour minimiser l'impédance d'entrée. L'alimentation et le plan de masse peuvent être considérés comme un condensateur plan, notamment dans l'étage basse fréquence intermédiaire, la résistance série équivalente et l'Inductance série équivalente étant toutes deux faibles et présentant de bonnes caractéristiques de découplage et de filtrage. La combinaison de l'adaptation d'impédance faite par l'intégrité du signal précoce avec les normes de production actuelles, le réglage raisonnable de l'espacement des couches, le choix de la valeur appropriée de la capacité inter - carte, peut très bien améliorer l'intégrité de la puissance de la conception à grande vitesse. Les valeurs capacitives de l'alimentation et du plan de masse peuvent être estimées par la formule (2):


Dans la formule Island = 8854 PF; Islaµr = 4,5 (valeur d'étalonnage des matériaux fr - 4); A est la surface de cuivre de la couche de puissance (m2); D est l'intervalle (m) entre les couches de puissance en cuivre. Selon les résultats de la simulation, le condensateur Plan C plus petit a une courbe de réponse d'impédance plus élevée et une fréquence de résonance plus élevée.


Le second est de mettre en place un condensateur de découplage. C'est actuellement le moyen le plus efficace de résoudre le problème de l'intégrité électrique. Dans les systèmes à haute fréquence, l'inductance parasite dans le système de distribution n'est pas négligeable, elle entraîne directement une augmentation de l'impédance du système de distribution. La capacité et l'inductance ayant des propriétés opposées dans le domaine fréquentiel, il est possible de réduire l'augmentation d'impédance induite par l'inductance en utilisant la méthode d'ajout de capacité. Dans le même temps, les condensateurs ont un effet de stockage d'énergie et sont capables de répondre à des demandes de courant changeantes à des vitesses très rapides, ce qui permet d'améliorer efficacement la réactivité transitoire de l'alimentation dans des zones localisées. Comment choisir un condensateur avec une valeur de capacité appropriée et déterminer la position appropriée du condensateur pour que l'impédance du système de distribution soit inférieure à l'impédance cible sur toute la gamme de fréquences de fonctionnement du système PCB devient la clé pour résoudre le problème de l'intégrité de la puissance. Avec l'aide de cadence Pi, la capacité, le nombre et l'emplacement des condensateurs de découplage peuvent être rapidement déterminés pour améliorer l'efficacité du développement.

Transmission automatique

2 simulation d'intégrité de puissance


2.1 Système de base ARM11


Cet article utilise cadence Pi comme outil de simulation pour analyser l'intégrité de la puissance du système ARM11 Core. Le système de base ARM11 de cet article utilise la puce S3C6410. Le S3C6410 est une architecture ARM11, un boîtier fbga et une puce nécessitant plusieurs Alimentations. Dans cet article, cette puce a 2 tensions de fonctionnement: 1.2v alimentation de base, 26 broches d'alimentation (10 broches d'alimentation de base, 16 broches d'alimentation logiques); Interface d'entrée / sortie alimentation 3,3 volts avec 30 broches d'alimentation d'E / S. La fréquence de fonctionnement interne de la puce est de 667 MHz et l'interface d'entrée / sortie de la mémoire externe est de 266 MHz. Le système de base ARM11 utilise une structure empilée à 8 couches, et l'espacement entre les couches est défini sur le principe de l'adaptation d'impédance analogique du signal et des normes de production. Cet article utilise cadence pi pour simuler l'intégrité de l'alimentation d'un réseau d'alimentation en tension ARM11 Core VDD / ARM.


Selon le manuel de données de la puce S3C6410, la consommation de courant de base est de 200 ma, plus une tolérance de 100%, la valeur de fluctuation de tension permise par le système est de 4% et la tension de base est de 1,2 v. selon la formule (1), l'impédance cible définie dans la Simulation est de 0,12 îlot.


2.2 simulation de l'intégrité de l'alimentation


2.2.1 simulation, analyse, validation et optimisation d'un seul nœud pour les options de condensateurs


Dans une simulation à nœud unique, la connexion physique réelle de chaque composant du système d'alimentation est ignorée. En supposant que le module de régulation de la tension d'alimentation vrm, la source d'excitation analogique, la source de courant et tous les condensateurs soient en parallèle, la simulation mononoeud permet d'obtenir la capacité nécessaire au maintien de l'impédance cible.


2.2.2 Simulation Multi - nœuds, placement de condensateurs de découplage pour optimiser la disposition


Étant donné que la simulation à un seul noeud ne prend pas en compte la disposition des condensateurs de découplage, pour des résultats plus précis, considérez le placement des sources de bruit et des condensateurs de découplage et effectuez une simulation Multi - noeuds sur toute la gamme de fréquences. Dans une simulation Multi - nœuds, cadence Pi divise le plan de puissance en plusieurs maillages selon la définition de l'utilisateur et modélise chaque maillage. Le condensateur de découplage placé, le module de régulation de tension vrm et la source de bruit sont alors connectés à un réseau électrique spécifique. Connecter les points de la grille pour générer une forme d'onde analogique d'impédance de fréquence pour chaque noeud.


Pour plus de précision, la taille de la grille doit être supérieure à 1 / 10 de la longueur d'onde correspondante de la fréquence la plus élevée du système.


2.2.3 analyse statique de la chute de tension CC IR du plan d'alimentation


Pour que la puce fonctionne correctement, la tension d'alimentation doit être limitée aux fluctuations autorisées. Les fluctuations de puissance sont causées par deux parties: les pertes en courant continu et le bruit alternatif. La chute de l'ir DC est la principale cause de pertes DC. La chute de tension statique IR Drop DC est principalement liée à la largeur de la connexion métallique et des couches utilisées, au courant circulant dans le chemin, au nombre et à l'emplacement des trous percés. Après réglage des broches d'alimentation et du courant absorbé dans cadence Pi, la chute de tension continue du réseau de tension d'alimentation de base ARM11 VDD / ARM a été analysée une fois la disposition terminée. Lorsque la fréquence de fonctionnement du système ARM11 Core est de 667 MHz, sa tension continue de 1,2 V permet une plage de fluctuation de + / - 0,05 v. le logiciel de simulation cadence Pi calcule le gradient de tension du réseau VDD - arm. Avec une valeur maximale de 0013v, inférieure à la plage de fluctuation autorisée de + / - 0,05v, drop répond parfaitement aux exigences de tension de fonctionnement du S3C6410 et peut garantir la stabilité du système.


2.2.4 analyse de la densité de courant du plan de puissance


Lorsqu'il y a trop de trous dans le plan de puissance ou une distribution déraisonnable, le courant circule à travers une zone étroite, ce qui entraîne une densité de courant excessive dans cette zone. La plus grande zone de densité de courant sur le plan de puissance est appelée point chaud. Les points chauds peuvent causer de graves problèmes de stabilité thermique. Par conséquent, il est nécessaire de concevoir rationnellement les trous de travers, de sorte que la densité de courant de la carte est répartie uniformément et d'éviter la proximité des puces critiques et la marche à grande vitesse sur la ligne. Les points chauds apparaissent.


3. Test d'intégrité de l'alimentation PCB


Dans la première version du PCB, l'analyse cadence Pi n'a pas été utilisée, mais certains condensateurs de découplage ont été placés empiriquement. Au cours de la mise en service, il a été constaté que la forme d'onde du signal numérique à grande vitesse n'était pas bonne et que des erreurs se produisaient parfois. Dans la deuxième édition, le nombre et la position des condensateurs de découplage, ainsi que la disposition de certains originaux, ont été ajustés par l'analyse cadence pi.


L'alimentation à découpage de 1,2 V fournit un courant de sortie d'environ 0,8 a pour le plan d'alimentation. Lorsque la charge dynamique est à tension constante, l'impédance de sortie varie périodiquement et l'amplitude du courant peut effectuer un saut de 0,2 ½ 0,8 a au cours d'une même période. D'après les données, l'intégrité de l'alimentation de la deuxième version du PCB produite après l'analyse de cadence Pi a été considérablement améliorée.


4. Conclusion


L'analyse par simulation de cadence Pi a permis de produire une carte PCB ARM11 core system. Grâce à des mesures réelles des circuits, il a été constaté que chaque système de distribution fonctionnait bien, en accord avec les résultats de la simulation. Avec la croissance rapide de la fréquence du système, les systèmes de distribution deviennent plus complexes et les coûts et les cycles de production d'ingénierie sont étroitement contrôlés. Lors de la conception de systèmes électroniques, l'analyse de simulation d'intégrité de puissance est effectuée au niveau du système pour simuler le comportement d'un système réel, ce qui améliore l'efficacité de la conception et réduit les erreurs de conception.