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Analisi e progettazione del sistema di alimentazione della scheda PCB
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Analisi e progettazione del sistema di alimentazione della scheda PCB

Analisi e progettazione del sistema di alimentazione della scheda PCB

2022-07-21
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Author:pcb

Oggi, la progettazione dell'alta velocità Scheda PCB I sistemi elettronici sono difficili da avere successo senza una conoscenza approfondita delle caratteristiche del sistema di alimentazione del chip, la struttura del pacchetto, e il Scheda PCB. Infatti, per soddisfare una tensione di alimentazione inferiore, velocità di inversione del segnale più veloce, maggiore integrazione, e molti requisiti sempre più impegnativi, molte aziende all'avanguardia nella progettazione elettronica sono nel processo di progettazione del prodotto per garantire l'alimentazione elettrica. E integrità del segnale, un sacco di soldi, manodopera, Nell'analisi del sistema di alimentazione vengono investite risorse materiali e materiali. Il La progettazione di sistemi di alimentazione elettrica (PDS) sta diventando sempre più importante nel campo della progettazione di circuiti ad alta velocità, soprattutto nel settore della progettazione di circuiti ad alta velocità., semiconduttore, comunicazioni, networking, e dell'elettronica di consumo. Con l'inevitabile ulteriore ridimensionamento della tecnologia VLSI, La tensione di alimentazione dei circuiti integrati continuerà a diminuire. Come sempre più produttori passano dalla tecnologia 130nm alla tecnologia 90nm, è prevedibile che la tensione di alimentazione scenderà a 1.2V o anche inferiore, mentre la corrente aumenterà notevolmente. Dal punto di vista della caduta di tensione IR DC al controllo dinamico di fluttuazione di tensione AC, perché la gamma di rumore ammissibile sta diventando sempre più piccola, Questo trend di sviluppo ha portato grandi sfide alla progettazione di sistemi di alimentazione elettrica.

Scheda PCB

Panoramica della progettazione del sistema di alimentazione della scheda PCB

Solitamente nell'analisi AC, l'impedenza di ingresso tra il terreno di alimentazione è un'osservazione importante utilizzata per misurare le caratteristiche del sistema di alimentazione. La determinazione di questa osservazione si evolve nel calcolo della caduta IR nell'analisi DC. Sia nell'analisi DC o AC, i fattori che influenzano le caratteristiche del sistema di alimentazione elettrica sono: la stratificazione della scheda PCB, la forma del piano di strato della scheda di alimentazione, il layout dei componenti e la distribuzione di via e pin, e così via. Il concetto di impedenza di ingresso tra terra di alimentazione può essere utilizzato nella simulazione e l'analisi dei fattori di cui sopra. Ad esempio, un'applicazione molto ampia dell'impedenza di ingresso power-to-ground consiste nel valutare il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento su una scheda. Con un certo numero di condensatori di disaccoppiamento posizionati sulla scheda, la risonanza unica del circuito stesso può essere soppressa, riducendo così la generazione di rumore e riducendo anche la radiazione del bordo del circuito per alleviare i problemi di compatibilità elettromagnetica. Al fine di migliorare l'affidabilità del sistema di alimentazione elettrica e ridurre i costi di produzione del sistema, gli ingegneri di progettazione del sistema devono spesso considerare come selezionare in modo conveniente il layout del sistema dei condensatori di disaccoppiamento. Il sistema di alimentazione nel sistema di circuito ad alta velocità può essere solitamente diviso in tre sottosistemi fisici: chip, struttura di imballaggio del circuito integrato e scheda PCB. La rete elettrica sul chip è composta da diversi strati di strati metallici disposti alternativamente. Ogni strato metallico è costituito da strisce metalliche nella direzione X o Y per formare una rete elettrica o di terra, e vias collegano le strisce metalliche di diversi strati. Per alcuni chip ad alte prestazioni, molte unità di disaccoppiamento sono integrate nell'alimentazione del nucleo o dell'IO. La struttura del pacchetto del circuito integrato, come una scheda PCB ridotta, ha diversi strati di potenza o piani di terra con forme complesse. Sulla superficie superiore della struttura del pacchetto, ci sono solitamente posizioni di installazione per disaccoppiare i condensatori. La scheda PCB di solito contiene un piano continuo di alimentazione e di massa di grandi dimensioni, così come alcuni componenti discreti del condensatore di disaccoppiamento grandi e piccoli e un modulo di raddrizzatore di potenza (VRM). I fili di legame, gli urti C4 e le sfere di saldatura collegano il chip, il pacchetto e il PCB insieme. L'intero sistema di alimentazione deve garantire che ogni dispositivo a circuito integrato sia dotato di 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 introducono sempre rumore di tensione. La sua variazione di tensione può essere calcolata: dove ΔV è la fluttuazione di tensione osservata al dispositivo e ΔI è la corrente di commutazione. Z è l'impedenza di ingresso tra l'alimentazione elettrica e la terra dell'intero sistema di alimentazione come osservato al dispositivo. Per ridurre le fluttuazioni di tensione, mantenere bassa resistenza tra potenza e terra. Nel caso di DC, poiché Z diventa una resistenza pura, la bassa resistenza corrisponde ad una bassa caduta di tensione IR dell'alimentazione elettrica. Nel caso AC, la bassa resistenza riduce anche il rumore transitorio generato dalla corrente di commutazione. Naturalmente, questo richiede che Z sia mantenuto piccolo su un'ampia banda di frequenza. Si noti che l'alimentazione e la terra sono spesso utilizzati come piani di ritorno del segnale e di riferimento, quindi c'è una stretta relazione tra il sistema di alimentazione e il sistema di distribuzione del segnale. Tuttavia, a causa delle limitazioni di spazio, i fenomeni di rumore e i problemi di controllo del ciclo corrente nei sistemi di alimentazione introdotti dal rumore di commutazione sincrona (IO SSO) non saranno discussi qui. Le sezioni seguenti ignoreranno il sistema di segnale e si concentreranno esclusivamente sull'analisi del sistema di alimentazione.


Drop IR DC

Poiché la dimensione delle caratteristiche della Power Grid del chip è molto piccola (diversi micron o anche più piccola), la perdita di resistenza nel chip è grave, quindi la caduta di tensione IR nel chip è stata ampiamente studiata. Nei seguenti casi, la caduta di tensione IR sul PCB (nell'intervallo da decine a centinaia di millivolt) avrà anche un impatto maggiore sulla progettazione del sistema ad alta velocità. Sul livello della scheda di alimentazione, il piano della scheda è diviso a causa della struttura Swiss-Chess, della struttura Neck-Down e del cablaggio dinamico (Figura 1); perni del dispositivo, vias, sfere di saldatura e urti C4 attraverso i quali passa la corrente sullo strato della scheda di alimentazione Numero insufficiente di schede di alimentazione, spessore insufficiente delle piastre di alimentazione, percorsi di corrente sbilanciati, ecc.; La progettazione del sistema richiede bassa tensione, alta corrente e una gamma galleggiante di tensione più stretta. Ad esempio, un dispositivo con alta densità e alto numero di pin formerà spesso il cosiddetto effetto della struttura Swiss-Chess sulla struttura del pacchetto chip e sullo strato di distribuzione dell'energia della scheda PCB a causa di un gran numero di vias e anti-pad. La struttura Swiss-Chess produce molte piccole regioni metalliche ad alta resistenza. A seconda del sistema di alimentazione, c'è un percorso di corrente ad alta resistenza, che la tensione attualmente inviata ai componenti sul PCB può essere inferiore ai requisiti di progettazione. Pertanto, una buona simulazione di caduta di tensione IR DC è la chiave per stimare l'intervallo di caduta di tensione ammissibile del sistema di alimentazione. Fornire soluzioni di progettazione o regole per pre e post-posizionamento e routing attraverso l'analisi di varie possibilità. Gli ingegneri del layout, gli ingegneri del sistema, gli ingegneri dell'integrità del segnale e gli ingegneri della progettazione di potenza possono anche incorporare l'analisi delle cadute IR nel gestore dei vincoli come passo finale nell'esecuzione dei controlli delle regole di progettazione su ogni rete elettrica e terrestre sul PCB. Strumento di ispezione (RDC). Questo flusso di progettazione attraverso l'analisi automatizzata del software può evitare problemi di layout e cablaggio su strutture complesse del sistema di alimentazione elettrica che non possono essere trovati da ispezione visiva o addirittura esperienza. La figura 2 mostra che l'analisi delle cadute IR può individuare con precisione la distribuzione di tensioni e correnti critiche in un sistema di alimentazione su un PCB ad alte prestazioni.


Analisi dell'impedenza al suolo di alimentazione CA

Molte persone sanno che una coppia di piastre metalliche costituiscono un condensatore a piastre, quindi pensano che la caratteristica dello strato di piastra di potenza sia di fornire capacità a piastre per garantire la stabilità della tensione di alimentazione. Quando la frequenza è bassa e la lunghezza d'onda del segnale è molto più grande della dimensione del pannello, lo strato della scheda di alimentazione e il pavimento formano un condensatore. Tuttavia, quando la frequenza aumenta, le caratteristiche dello strato del piano di potenza iniziano a diventare complicate. Più precisamente, una coppia di piastre piatte costituisce un sistema di linea di trasmissione a piastre piatte. Il rumore tra l'alimentazione elettrica e il suolo, o il campo elettromagnetico corrispondente, si propaga tra le schede seguendo il principio della linea di trasmissione. Quando il segnale acustico si propaga al bordo del pannello, una parte dell'energia ad alta frequenza viene irradiata, ma una parte più grande viene riflessa indietro. Riflessioni multiple da diversi confini della piastra costituiscono il fenomeno di risonanza nella scheda PCB. Nell'analisi CA, la risonanza dell'impedenza potenza-terra della scheda PCB è un fenomeno unico. Per il confronto, vengono tracciate anche le caratteristiche di impedenza di un condensatore puro e di un induttanza pura. La dimensione della scheda è 30cm×20cm, la distanza tra le schede è 100um e il mezzo di riempimento è materiale FR4. Il modulo raddrizzatore di potenza sulla scheda è sostituito con un induttore 3nH. È un condensatore 20nF che presenta una caratteristica di impedenza puramente capacitiva. Si può vedere dalla figura che quando non c'è un modulo raddrizzatore di potenza sulla scheda, nell'intervallo di frequenza di decine di megabyte, le caratteristiche di impedenza (linea rossa) della piastra piana sono le stesse della capacità (linea blu). Sopra 100MHz, le caratteristiche di impedenza della lastra sono induttive (lungo la linea verde). Dopo aver raggiunto la gamma di frequenze di diverse centinaia di megabyte, la comparsa di diversi picchi di risonanza mostra le caratteristiche di risonanza della piastra e la piastra non è più puramente induttiva. Ormai è chiaro che un sistema di alimentazione a bassa resistenza (da DC a AC) è la chiave per ottenere fluttuazioni di bassa tensione: ridurre gli effetti induttivi, aumentare gli effetti capacitivi, eliminare o ridurre quei picchi di risonanza sono obiettivi progettuali.


Per ridurre l'impedenza di un sistema di alimentazione elettrica, alcune linee guida di progettazione dovrebbero essere seguite:

1) Ridurre la distanza tra l'alimentazione elettrica e lo strato del pavimento;

2) Aumentare la dimensione del piatto;

3) Migliorare la costante dielettrica del mezzo di riempimento;

4) Utilizzare più coppie di strati di potere e pavimento.

Tuttavia, a causa della produzione o di altre considerazioni di progettazione, i progettisti devono anche utilizzare alcuni metodi più flessibili ed efficaci per modificare l'impedenza del sistema di alimentazione. Per ridurre l'impedenza ed eliminare quei picchi di risonanza, posizionare condensatori discreti di disaccoppiamento sul PCB è diventato un metodo comune.


L'impedenza di ingresso del sistema di alimentazione è calcolata con Sigrity PowerSI:

a. Non c'è nessun modulo di raddrizzatore di potenza e nessun condensatore di disaccoppiamento è posizionato sulla scheda.

b. Il modulo del raddrizzatore di potenza è simulato con un cortocircuito e nessun condensatore di disaccoppiamento è posizionato sulla scheda.

c. Il modulo del raddrizzatore di potenza è simulato con un cortocircuito e i condensatori di disaccoppiamento sono posizionati sulla scheda.

Il posizionamento di condensatori discreti di disaccoppiamento sulla scheda offre ai progettisti la flessibilità di regolare l'impedenza del sistema di alimentazione per ottenere un minore rumore da potenza a terra. Tuttavia, come scegliere dove posizionarlo, quanti scegliere, e che tipo di condensatore di disaccoppiamento scegliere rimane una serie di problemi di progettazione. Pertanto, è spesso necessario cercare soluzioni di disaccoppiamento per una particolare progettazione e utilizzare software di progettazione appropriati ed eseguire simulazioni estese del sistema di alimentazione su Scheda PCB.