Progettazione PCB - Linee guida per la progettazione del sistema di alimentazione PCB

Oggi, è difficile progettare un sistema elettronico ad alta velocità senza una comprensione approfondita del chip, della struttura del pacchetto e delle caratteristiche del sistema di alimentazione della scheda PCB. Infatti, al fine di soddisfare la tensione di alimentazione più bassa, flip del segnale più veloce, più alto livello di integrazione e molte richieste sempre più impegnative, un sacco di camminare in prima linea delle società di progettazione elettronica nel processo di progettazione del prodotto al fine di garantire che l'integrità dell'alimentazione elettrica e del segnale, l'analisi del sistema di alimentazione in un sacco di soldi, manodopera e risorse materiali.

L'analisi e la progettazione dei sistemi di alimentazione elettrica (PDS) sta diventando sempre più importante nel campo della progettazione di circuiti ad alta velocità, in particolare nei settori computer, semiconduttori, comunicazione, rete e elettronica di consumo. Con l'inevitabile ulteriore ridimensionamento della tecnologia VLSI, la tensione di alimentazione dei circuiti integrati continuerà a diminuire. Poiché sempre più produttori passano da 130nm a 90nm, possiamo aspettarci che la tensione di alimentazione scenda a 1,2V o anche più bassa, mentre la corrente aumenterà significativamente. Dal punto di vista della riduzione della tensione IR DC al controllo dinamico delle fluttuazioni di tensione CA, questa tendenza di sviluppo porta grandi sfide alla progettazione dei sistemi di alimentazione a causa della gamma di rumore ammissibile sempre più piccola.

Panoramica della progettazione del sistema di alimentazione PCB

Solitamente nell'analisi AC, l'impedenza di ingresso tra fonti di alimentazione e terra è un'osservazione importante per misurare le caratteristiche del sistema di alimentazione. La determinazione di questa osservazione nell'analisi DC si evolve nel calcolo della caduta di pressione IR. Sia nell'analisi DC o AC, i fattori che influenzano le caratteristiche del sistema di alimentazione elettrica sono: strato PCB, la forma del piano di strato della scheda di alimentazione, il layout dei componenti, la distribuzione di fori e perni e così via.

Il concetto di impedenza di ingresso tra fonti di energia e terra può essere utilizzato nella simulazione e nell'analisi dei fattori di cui sopra. Ad esempio, un'applicazione molto ampia dell'impedenza di ingresso a terra dell'alimentazione elettrica consiste nel valutare il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento sulle schede. Con un certo numero di condensatori di disaccoppiamento posti sulla scheda, la risonanza caratteristica della scheda stessa può essere soppressa, riducendo così la generazione di rumore e riducendo anche la radiazione del bordo della scheda per alleviare i problemi di compatibilità elettromagnetica. Al fine di migliorare l'affidabilità dei sistemi di alimentazione elettrica e il costo di produzione dei sistemi degradati, i progettisti di sistemi devono spesso considerare come scegliere economicamente ed efficacemente il layout del sistema dei condensatori di disaccoppiamento.

Il sistema di alimentazione in circuito ad alta velocità può essere diviso in tre sottosistemi fisici: chip, struttura del pacchetto del circuito integrato e PCB. La rete elettrica sul chip è costituita da strati di metallo alternati. Ogni strato è costituito da strisce di metallo in direzione X o Y che formano la rete elettrica o di terra. I fori collegano le strisce di metallo in diversi strati.

Per alcuni chip ad alte prestazioni, sia il core che l'alimentatore IO sono integrati con molte unità di disaccoppiamento. La struttura del pacchetto del circuito integrato, come un PCB in miniatura, ha diversi strati di alimentatori di forma complessa o piastre da pavimento. Sulla superficie superiore della struttura del pacchetto, la posizione di installazione del condensatore di disaccoppiamento è solitamente riservata. Il PCB di solito contiene l'alimentazione continua e la piastra del pavimento di grandi dimensioni e alcuni elementi discreti del condensatore di disaccoppiamento e del modulo del raddrizzatore di potenza (VRM). Fili di legame, urti C4 e sfere di saldatura collegano il chip, il pacchetto e il PCB insieme.

L'intero sistema di alimentazione deve garantire che i componenti del circuito integrato forniscano una tensione stabile all'interno della gamma normale. Tuttavia, le correnti di commutazione e gli effetti parassitari ad alta frequenza in questi sistemi di alimentazione introdurranno sempre rumore di tensione.

Infatti, rivela anche un altro fatto molto importante, che la gamma di frequenza dei condensatori discreti di disaccoppiamento posti sul PCB può raggiungere solo poche centinaia di megahertz. Per quanto alta sia la frequenza, l'induttanza parassitaria di ogni condensatore di disaccoppiamento discreto e l'induttanza del ciclo (condensatore a chip) della scheda e attraverso il foro ridurranno notevolmente l'effetto di disaccoppiamento. Non è possibile ridurre ulteriormente l'impedenza di ingresso del sistema di alimentazione solo posizionando condensatori discreti di disaccoppiamento sul PCB. Da diverse centinaia di megahertz a intervalli di frequenza più elevati, entreranno in gioco la capacità interplata del sistema di alimentazione della struttura del pacchetto, così come la capacità discreta di disaccoppiamento posta sulla struttura del pacchetto. Nella gamma di frequenza GHz, i condensatori tra le reti elettriche nel chip e i condensatori di disaccoppiamento nel chip sono la soluzione di disaccoppiamento.

In un esempio mostrato, la linea rossa è l'impedenza di ingresso di un PCB dopo aver posizionato alcuni condensatori discreti di disaccoppiamento su di esso. Dopo aver preso in considerazione la struttura del pacchetto, l'induttanza della struttura aggiuntiva del pacchetto sposta il picco risonante a circa 450MHz, come mostrato nella linea blu. Dopo l'inclusione del sistema di alimentazione del chip, il condensatore di disaccoppiamento nel chip rimuove quei picchi risonanti ad alta frequenza, ma allo stesso tempo introduce un picco risonante molto debole di 30MHz, come mostrato nella linea verde. Questa risonanza a 30 MHz sarà rappresentata nel dominio temporale come una tensione di valle nell'involucro di media frequenza del segnale di flipping ad alta frequenza.