Fabrication de PCB de précision, PCB haute fréquence, PCB haute vitesse, PCB standard, PCB multicouches et assemblage de PCB.
L'usine de services personnalisés PCB & PCBA la plus fiable.
Technologie PCB
Guide de conception des PCB à grande vitesse II: éviter les pièges de conception des systèmes de signalisation hybrides
Technologie PCB
Guide de conception des PCB à grande vitesse II: éviter les pièges de conception des systèmes de signalisation hybrides

Guide de conception des PCB à grande vitesse II: éviter les pièges de conception des systèmes de signalisation hybrides

2021-08-18
View:229
Author:IPCB

Résumé: pour utilisEuh... avec succès les SOC d'aujourd'hui, board-level and Concepteur au niveau du système Vous devez savoir comment placer les composants au mieux, layout traces, Et utiliser des composants de protection.


They are called digital cellular phones, Mais ils contiennent plus de fonctions analogiques que les téléphones analogiques précédents. In fact, any system that needs to process continuous state values (such as voice, image, Température, Pression, etc.) will have its analog function, even if the word digital appears in its name. Les PC multimédias d'aujourd'hui ne font pas exception. They have voice and video input and output, Surveillance de la température d'urgence du processeur central de chauffage, and high-performance modems. These systems are also items on the list of mixed signal functions. Also more and more.


La tendance au développement de ces deux systèmes pose de nouveaux défis aux gens. Conception hybrids. Le volume et le poids du matériel portatif de communication et de calcul continuent de diminuer., but their functions continue to increase. Les systèmes de bureau continuent d'augmenter la capacité du processeur central et la vitesse de communication des périphériques. Bien sûr., it is quite difficult to Conception Carte de circuit numérique moderne tout en évitant les sonneries, noise-induced errors, Et le potentiel terrestre rebondit. Cependant,, when you add those analog signal lines that are susceptible to noise close to square-wave excitation digital data lines, Le problème s'est aggravé..


Au niveau de la puce, the current SOC (system on chip) requires expertise in logic circuits, Circuit analogique, and thermodynamic Conception. Pour utiliser ces IC avec succès, board-level and Concepteur au niveau du système Besoin de savoir comment placer les composants au mieux, Suivi des itinéraires, Et utiliser des composants de protection.


Cet article décrit les défauts courants dans la conception actuelle du système de signalisation hybride et fournit des lignes directrices pour éliminer ou éliminer ces défauts. Toutefois, avant d'aborder des questions précises et de formuler des recommandations, il serait utile d'avoir une idée détaillée de la façon dont les tendances à la miniaturisation et à la grande vitesse de la conception des systèmes influent sur ces questions.


1. Tendances à grande vitesse


Comparing the specifications of a mid-range PC in 1999 with those five years ago, Sa vitesse centrale de traitement a augmenté d'environ un ordre de grandeur, Le courant consommé par le processeur a également augmenté d'environ un ordre de grandeur. When you combine high speed with high current, "Di"/dt" part of the relationship of V=L (di/dt) is greatly improved. In fact, Un fil de terre d'un demi - pouce de long dans la carte de circuit peut détecter plus de 1 volt. For the converter, La ligne de référence du potentiel au sol détectera la tension, which may cause the operation to stop.


Pour atteindre ces vitesses plus élevées, IC a été conçu et fabriqué à l'aide de dimensions sous - micrométriques profondes (p. ex., 0,35 ¼ m). Bien que cela réduise les dimensions géométriques et entraîne des performances plus rapides, cela rend également ces dispositifs plus susceptibles d'être verrouillés et endommagés par des transitoires. En outre, ces équipements nécessitent une gestion plus rigoureuse de l'énergie pour se conformer à des gammes de tension admissibles de plus en plus strictes.


La carte d'interface réseau Ethernet (NIC) 10 / 100 actuelle en est un bon exemple. La puce 10Base - t originale était un dispositif CMOS de grande taille qui était relativement insensible aux dommages dus à la surtension. Cependant, la nouvelle puce utilise une largeur de ligne de 0,35º¼ M, ce qui est très sensible au verrouillage et à la défaillance causés par des transitoires causés par l'énergie électrique et la foudre.


Les serveurs modernes avec une architecture SMP (Symmetric multiprocesseur) et les processeurs fonctionnant à 500 MHz ou plus sont de bons exemples des défis de l'allocation d'énergie. Vous ne pouvez pas simplement construire une alimentation 5V et connecter la ligne au bus approprié. À 500 MHz, pour des courants allant jusqu'à 20 a ou 30 a, un convertisseur séparé est en fait nécessaire à chaque point d'utilisation, plus une source de tension primaire plus grande, et tous ces convertisseurs doivent être alimentés.

Cette tendance exige une fonction Hot swap, ce qui signifie que vous devez être en mesure d'insérer ou de retirer des cartes de circuit du système actuel. C'est aussi pour prévoir les transitoires. Ainsi, la carte mère insérée et la carte mère doivent être correctement protégées.


La tendance à la miniaturisation et à la grande vitesse pose des problèmes particuliers.. For example, Pour les petites entreprises, la distribution d'énergie à courant élevé n'est pas un problème majeur, portable, Et les appareils portatifs. For desktop computers and servers, Prolonger la durée de vie de la batterie n'est pas un problème. However, Les dommages causés par le verrouillage et les transitoires sont un problème dans les deux cas..


Tendance à la « miniaturisation»


Comparing the 1999 cellular phone with the product five years ago, Le nombre de puces est beaucoup plus faible, the weight and volume are greatly reduced, Longue durée de vie de la batterie. In this process, the main factor is the great progress in mixed-signal IC solutions. However, À mesure que la géométrie des copeaux diminue, the spacing of the wiring on the circuit board is getting closer, Les lois de la physique commencent à émerger..


Les trajectoires parallèles sont de plus en plus rapprochées, ce qui donne lieu à un couplage de capacité parasitaire de plus en plus important, ce qui n'est que le résultat d'une distance carrée inversement proportionnelle. Dans le passé, il n'y avait qu'une petite quantité de traces spatiales, mais maintenant il y en a beaucoup. Par conséquent, même le couplage capacitif entre les traces non adjacentes peut causer des problèmes.


Les téléphones cellulaires sont des appareils que les gens possèdent et utilisent en fonction de leur nature. Par temps froid, on se promène sur le tapis, puis on ramasse le téléphone et on fait un "Bang" qui envoie une impulsion de décharge électrostatique haute tension (ESD) à l'appareil. Sans une protection ESD appropriée, un ou plusieurs circuits intégrés peuvent être endommagés. Toutefois, l'ajout de composants externes pour prévenir les dommages causés par l'EDD irait à l'encontre de la tendance à la miniaturisation.


Un autre problème est la gestion de l'énergie. Les utilisateurs de téléphones cellulaires s'attendent à ce que plus l'intervalle de charge de la batterie est long, mieux c'est. Cela signifie que le convertisseur DC - DC doit être très efficace. La technologie de commutation est la réponse, mais dans ce cas, le convertisseur devient aussi sa propre source potentielle de bruit. Les convertisseurs doivent donc être soigneusement sélectionnés, placés et interconnectés. En outre, étant donné que le volume est un facteur qui ne peut être négligé, il convient de choisir des éléments capables d'utiliser des éléments passifs de dimensions physiques minimales. Si un régulateur de tension linéaire est utilisé, un régulateur de tension différentielle à très basse tension doit être sélectionné de manière à maintenir la tension de sortie à la tension minimale de la batterie. Cela permet à la batterie de se décharger autant que possible avant de ne plus fournir suffisamment d'énergie.


3. Verrouillage et transitoires


Transients from line width to deep sub-micron ICs deteriorate the susceptibility to overvoltage conditions, Cela signifie que vous devez protéger ces appareils plus intelligemment sans affecter leur performance.


Dans les entrées de protection, tout élément de protection doit apparaître comme un circuit à haute impédance en fonctionnement normal. Par exemple, si vous voulez ajouter un petit effet au signal d'entrée normal, vous devez charger avec la charge Capacitive la plus faible possible. Toutefois, au moment de la surpression, le même équipement doit être la voie principale de l'énergie transitoire, loin de l'entrée de l'équipement protégé. En outre, la tension de résistance du dispositif de protection doit être supérieure à la tension maximale admissible sur ses broches de protection. De même, la tension de serrage doit être suffisamment basse pour empêcher les dommages à l'équipement protégé. Ceci est dû au fait que, dans des conditions transitoires, la tension à l'entrée sera la tension de serrage du dispositif de protection.


Auparavant, les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) ont efficacement Clampé les transitoires sur la carte de circuit imprimé. Les diodes traditionnelles (TVS) sont des dispositifs à jonction PN à l'état solide qui fonctionnent jusqu'à 5V. Ils ont un temps de réponse rapide, une faible tension de serrage, une capacité de surtension de courant élevée et toutes les caractéristiques souhaitées. Cependant, le problème avec la diode TVS traditionnelle est qu'elle soulève la tête si elle est inférieure à 5V. Ici, la technique d'avalanche qu'ils utilisent est un obstacle. Un degré élevé de dopage (1018 / CM - 3 ou plus) est nécessaire pour obtenir une tension d'isolement inférieure à 5 v. Cela se traduit à son tour par une capacité plus élevée et un courant de fuite qui nuisent à la haute performance. La Diode TVS traditionnelle a une capacité liée à la tension, qui augmente avec la diminution de la tension. Par exemple, une diode de protection ESD typique a une capacité de jonction de 400 PF à une tension de 5 v. Nous pouvons imaginer ce qui se passerait si une telle charge Capacitive était appliquée au noeud d'entrée d'un émetteur ou d'un récepteur de télétransmission de 100base, ou à l'entrée d'un bus série universel (USB). De plus, ce sont les types de circuits qui nécessitent le plus de protection transitoire.


Les diodes TVS traditionnelles ne sont pas vraiment une option lorsque la tension est inférieure à 5V. Mais ça ne veut pas dire que tu n'as pas le choix. Une nouvelle technologie développée conjointement par l'Université de Californie à Berkeley et semtech offre une protection transitoire et ESD jusqu'à 2,8 V de tension de fonctionnement. Vous pouvez choisir parmi une gamme d'appareils de télévision avec une capacité appropriée, une tension d'isolement et une tension de serrage pour répondre aux exigences de votre propre système. Ensuite, nous devons également examiner où l'équipement doit être placé sur la carte de circuit et comment la connecter.


L'inductance parasitaire dans la trajectoire de protection peut entraîner une surtension de haute tension et endommager l'IC. Cela est particulièrement vrai pour les transitoires de temps de montée rapide tels que l'EDD. Selon la définition de la Norme CEI 1000 - 4 - 2, les transitoires causés par l'EDD atteindront un pic en moins d'une nanoseconde (NS). Sur la base d'un calcul d'inductance de trajectoire de 20 NH / pouce, quatre trajectoires de 1 pouce d'une impulsion 10A entraîneront un dépassement de 50 v.


Toutes les voies de détection possibles, y compris les circuits au sol, entre la télévision et les circuits de protection, ainsi que les voies du connecteur à l'équipement de télévision, doivent être prises en considération. De plus, l'équipement de télévision doit être aussi près que possible des connecteurs afin d'coupler les transitoires à d'autres traces à proximité.


10 / 100 Ethernet Board est un sous - système nécessitant une protection transitoire. Les appareils utilisés dans les commutateurs et routeurs Ethernet sont exposés à des transitoires de détection de la foudre à haute énergie. Dans la conception, la profondeur sous - Micron IC utilisée est extrêmement sensible au verrouillage de surtension. Dans un système typique, l'interface à Paire torsadée utilisée par chaque port se compose de deux paires de signaux différentes, l'une pour l'émetteur et l'autre pour le récepteur. L'entrée de l'émetteur est généralement la plus vulnérable aux dommages. Il y aura une décharge létale différente dans la paire de fils, qui sera couplée à un condensateur Ethernet par l'intermédiaire d'un transformateur.


Lorsque la fréquence du signal est très élevée (100 Mbit / s) et que la tension d'alimentation est faible (généralement 3,3 v), le dispositif de protection doit avoir une charge Capacitive très faible avec une tension d'isolement bien inférieure à 5 v. Dans un autre cas, l'inductance parasitaire dans la trajectoire de protection peut entraîner une surtension plus importante. Afin de maximiser l'efficacité, la carte de circuit doit être câblée de telle sorte que le chemin entre le protecteur et le circuit protégé soit réduit au minimum et que la longueur du chemin entre le connecteur rj45 et le protecteur soit réduite au minimum.


4. Échange de chaleur / plug - and - play


De plus en plus de systèmes fonctionnent Conceptioned to allow plug boards or plugs to be inserted and removed at any time while the system is still powered on. Ces cartes ou fiches branchent ou retirent les prises de courant avec signal, Ligne électrique, Et le fil de terre, and there is a high chance of transients. En outre, the system can dynamically adjust its power supply to adapt to sudden increases or decreases in current load.


Un téléphone mobile ou un autre appareil électronique portatif est accidentellement branché ou débranché du système de chargement pendant le chargement. Cela crée également des transitoires. Ici, en plus de la protection transitoire, la gestion de l'énergie est nécessaire pour tenir compte de l'augmentation ou de la diminution soudaine de la charge actuelle.

L'interface USB est ConceptionEd améliore l'interface série haute vitesse entre le système de bureau et les périphériques. Also, Il y a un cordon d'alimentation sur l'interface UB, which can be used to supply power to connected peripheral devices. S'il n'y a pas de charge dans la prise USB, it is an open socket. La décharge d'impulsions ESD générée par l'électricité statique du corps humain sur la prise de courant sera transmise à la carte de circuit, ce qui endommagera facilement le Contrôleur USB..


Vous devez vous assurer que les lignes de données et les lignes électriques sont protégées dans ce bus à grande vitesse. De plus, bien que la gestion de l'énergie ait été écrite dans la spécification USB, aucune protection ESD n'a été fournie.


TVS devices can be used to provide appropriate ESD protection. Le placement des composants et la longueur du chemin restent importants Conception issues. Les mêmes lignes directrices de mise en page doivent être examinées attentivement.. Make sure that the path between the TVS and the protected line be shortened, Et assurez - vous que l'appareil de télévision est le plus près possible du connecteur de port.


Les interrupteurs de distribution d'énergie à l'état solide doivent être utilisés pour la gestion de l'énergie conformément aux spécifications USB. Sur les hôtes PC, ils fournissent une protection contre les courants de court - circuit et des rapports d'erreur au Contrôleur IC. Dans les périphériques USB, ils sont utilisés pour la commutation de port, les rapports d'erreur et le contrôle de descente de tension d'alimentation.

ATL

5. Répartition de l'énergie


Si vous comparez les changements de courant de l'ordinateur à ceux d'il y a 10 ans, l'augmentation est vraiment spectaculaire. Avec une augmentation significative de la fréquence d'horloge, le PC et le serveur sont dans un environnement di / DT très élevé. Par exemple, si l est de 2,5 ¼ H et que c est égal à 4 * 1500 ¼ F, le transitoire sur la charge est un transitoire de 200 MV entre les pics avec un temps de récupération de 50 microsecondes. Ce qui complique le problème, c'est que le processeur entre en mode veille et se réveille rapidement. Les transitoires qui en résultent se situent entre 20 et 30 ampères par microseconde, ce qui constitue un défi pour la gestion de l'énergie.


Du point de vue du convertisseur, la valeur di / DT influence le choix du condensateur de sortie et, plus précisément, la résistance en série équivalente (ESR) et l'inductance en série équivalente (ESL) du condensateur. Les convertisseurs fonctionnant à basse fréquence ont besoin d'un grand condensateur pour stocker la charge entre deux cycles de fonctionnement, ce qui nécessite l'utilisation de condensateurs électrolytiques. Bien que ces condensateurs électrolytiques aient une grande capacité, ils ont aussi une grande esr et ESL, qui sont tous deux contraires à l'intention du concepteur. En outre, les condensateurs électrolytiques sont volumineux et ne conviennent pas à la technologie de montage de surface et à l'emballage compact.


Il existe une autre façon de réduire la valeur de l'esr et de l'ESL, de simplifier le processus de production et de réduire la production réelle. La méthode consiste à utiliser un convertisseur de fréquence un peu plus élevé et à choisir un condensateur céramique au lieu d'un condensateur électrolytique. En même temps, vous pouvez même partager les exigences de charge en utilisant une solution de convertisseur multiphasé. Chaque convertisseur nécessite moins de capacité d'entrée tout en fournissant la même capacité de courant total. Un autre avantage est la réduction du courant d'ondulation d'entrée. Dans un schéma de conversion monophasé, le courant d'ondulation d'entrée est égal à la moitié du courant d'ondulation de sortie. Par conséquent, pour les systèmes 20A, le courant d'ondulation d'entrée est de 10A. Par exemple, pour une solution de convertisseur à quatre phases, ce courant de sortie sera réparti également entre les quatre convertisseurs. Chaque alimentation est maintenant 5A et le courant d'ondulation d'entrée est 2a. Cela permet l'utilisation de condensateurs d'entrée plus petits et moins chers.


Dell Computers (Round Rock, Texas) a développé un contrôleur de modulation de largeur d'impulsion (PWM) discret et multiphasé et un convertisseur DC - DC inversé pour sa famille d'ordinateurs et de serveurs à grande vitesse. Il a été conçu pour répondre aux besoins urgents des processeurs Pentium avancés d'Intel en matière de gestion de l'énergie. Depuis lors, à la demande de Dell, semtech a intégré le circuit. Une fois le Contrôleur et le convertisseur multiphasés résolus, vous devez prêter une attention particulière au câblage de la carte de circuit. Les interrupteurs à haute fréquence et à courant élevé peuvent affecter la différence de tension au sol.


La partie haute du circuit doit d'abord être câblée. Vous devriez utiliser des couches de sol ou introduire des zones de couches de sol isolées ou semi - isolées pour limiter le courant de mise à la terre dans des zones spécifiques. Le circuit composé du condensateur d'entrée et de la sortie FET des conducteurs latéraux haut et bas contient tous les commutateurs transitoires rapides à courant élevé. Les connexions doivent être larges ou larges, courtes ou courtes pour réduire l'inductance du circuit. Cela permettra de réduire l'interférence électromagnétique (EMI), de réduire le courant injecté dans le sol et de réduire au minimum la sonnerie de la source afin d'obtenir un signal de commutation de circuit de porte plus fiable.


The connection between the junction of the two FETs and the output inductor should be a wide track and at the same time as short as possible. Les condensateurs de sortie doivent être situés le plus près possible de la charge.. The fast transient load current is provided by this capacitor, Par conséquent, les fils de connexion doivent être larges et courts afin de réduire au minimum l'inductance et la résistance..


Le Contrôleur doit de préférence être placé dans une zone calme au niveau du sol afin d'empêcher le courant d'impulsion du condensateur d'entrée et du circuit FET de s'écouler dans cette zone. Les broches de référence de mise à la Terre haute et basse doivent être retournées à une position de mise à la terre très proche de l'ensemble de l'amplificateur de commande. La mise à la terre analogique et numérique des petits signaux doit être reliée à la mise à la terre de l'un des condensateurs de sortie. Ne retournez pas au sol dans le circuit condensateur / FET d'entrée. Le circuit de résistance à la détection du courant doit être aussi court que possible.


6. Travailler intelligemment


Although the above examples illustrate some methods that can predict and avoid certain pitfalls of mixed-signal systems, they are by no means exhaustive. Chaque système a ses propres défis, and each ConceptionEr a ses propres obstacles à franchir. Whether dealing with more difficult protection or stricter energy management, La première chose à faire est de choisir le bon composant. In terms of challenge converters, Contrôleur de convertisseur et protection de la télévision, there is a wide range of options. Les placer au bon endroit sur la carte de circuit affichera les différences de gestion et de protection de l'énergie. Le câblage réfléchi et la configuration des couches de mise à la terre sont des questions clés dans le troisième aspect.. Téléviseurs pour circuits basse tension


Lorsque la tension est inférieure à 5V, la télévision traditionnelle à jonction PN ne fonctionne pas du tout. Cependant, l'Université de Californie à Berkeley et semtech ont mis au point une diode perforante améliorée (EPD).


Contrairement à la structure p n traditionnelle de la Diode Avalanche TVS, le dispositif EPD utilise une structure à quatre couches plus complexe n + p + P - N +. Il utilise le dopage de la lumière dans les couches p + et P pour empêcher les jonctions n + p + décalées vers l'arrière d'entrer dans l'état d'avalanche.


Étant donné que la structure du NPN a une mobilité électronique plus élevée et une meilleure propriété de serrage, la structure du NPN a été choisie au lieu de la structure du PNP. Grâce à la fabrication méticuleuse de la zone de base P, le dispositif obtenu a de bonnes caractéristiques de courant de fuite, de potentiel de serrage et de capacité dans la gamme de tension de 2,8v à 3,3v.


7. Le galop de l'appétit


Intel’s Pentium II specification requires that the current be increased from 5A to 20A within 500ns, Conversion à 30A par microseconde. Semiteck sc1144 Contrôleur PWM multiphasé plus puissant que nécessaire pour la tâche. It provides control of up to four reverse DC-to-DC converters to get the required speed and accuracy. Le DAC 5 bits intégré permet la sortie programmée de la tension de sortie, from 1.8 - 2.05V in 50mV increments, De 20 à 3 ans.5V in 100mV increments.


C'est polyphasé. Technique produces four precise output voltages separated by a 90-degree phase shift. Et puis..., the four digitally phase-shifted outputs are summed together to obtain the required output voltage and current capacity.


Chaque convertisseur fonctionne à 2 MHz, Conceptioners can use ceramic capacitors instead of electrolytic capacitors, Et obtenir des avantages de petite taille, surface mountability, Réduction de l'esr et de l'ESL.