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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

2022-08-02
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Author:pcb

Oggi, la progettazione di sistemi elettronici ad alta velocità è difficile da ottenere 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 commutazione 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 analysis e design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, soprattutto nel computer, 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

1. Panoramica di Scheda PCB power supply system design

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 variazione di tensione può essere calcolata da: 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.


2. DC IR drop

A causa delle piccole dimensioni della rete elettrica del chip (pochi micron o anche più piccoli), le perdite di resistenza nel chip sono gravi, quindi la caduta 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 potere, la struttura Swiss-Chess, la struttura Neck-Down e il cablaggio dinamico causano la divisione del piano della scheda; il numero di perni del dispositivo, vias, sfere di saldatura e urti C4 attraverso i quali passa la corrente sullo strato della scheda di alimentazione non è sufficiente. Lo spessore della piastra di alimentazione elettrica è insufficiente, il percorso corrente è sbilanciato, ecc.; La progettazione del sistema richiede bassa tensione, alta corrente e una gamma fluttuante di tensione 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 causa di percorsi di corrente ad alta resistenza nel sistema di alimentazione, la tensione o la corrente 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.


3. Analisi dell'impedenza al suolo di alimentazione AC

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. 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 ed eliminare o ridurre questi picchi di risonanza sono obiettivi di progettazione.


4. Per ridurre l'impedenza del sistema di alimentazione elettrica, è necessario seguire alcune delle seguenti linee guida di progettazione:

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.


5. Calcolare l'impedenza di ingresso del sistema di alimentazione utilizzando Sigrity PowerSI:

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

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

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

L'impedenza di ingresso del sistema di alimentazione osservata nella posizione del chip del circuito integrato appare capacitiva a basse frequenze. Man mano che la frequenza aumenta, un picco di risonanza naturale appare alla frequenza di 800MHz. La lunghezza d'onda di questa frequenza corrisponde alla dimensione del piano di terra di potenza. Ciò corrisponde esattamente all'induttanza del ciclo dalla posizione del chip integrato al modulo del raddrizzatore di potenza. Questa induttanza del ciclo insieme alla capacità della piastra introduce un picco risonante a 200MHz. Dopo aver posizionato alcuni condensatori di disaccoppiamento sulla scheda, il picco risonante 200MHz è stato spostato ad una frequenza molto bassa (<20MHz), e il valore di picco del picco risonante è stato ridotto molto. Un picco di risonanza più forte appare a circa 1 GHz. Si può vedere che posizionando condensatori discreti di disaccoppiamento sul PCB, il sistema di alimentazione può raggiungere una risposta di impedenza CA bassa e regolare nella gamma di frequenza operativa principale. Pertanto, anche il rumore del sistema di alimentazione elettrica sarà basso. 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 un particolare progetto e utilizzare software di progettazione appropriati ed eseguire simulazioni estese del sistema di alimentazione.


6. Concetto di co-progettazione

La gamma di frequenza dei condensatori discreti di disaccoppiamento posti sul PCB può raggiungere solo poche centinaia di megahertz. Non importa quanto alta sia la frequenza, the parasitic inductance of each discrete decoupling capacitor and the loop inductance of the board and vias (capacitor to chip) will greatly reduce the decoupling effect. È impossibile posizionare condensatori discreti di disaccoppiamento solo sul PCB. ulteriormente, ridurre l'impedenza di ingresso del sistema di alimentazione. Da poche centinaia di megahertz a frequenze più elevate, the inter-board capacitance of the power supply system of the pacchetto structure, e i condensatori discreti di disaccoppiamento posti sulla struttura del pacchetto entreranno in gioco. Alla gamma di frequenza GHz, La capacità tra le reti elettriche sul chip e i condensatori di disaccoppiamento sul chip è la soluzione di disaccoppiamento. La linea rossa è l'impedenza di ingresso dopo aver posizionato alcuni condensatori discreti di disaccoppiamento su un PCB. Il primo picco di risonanza appare da 600MHz a 700MHz. Dopo aver considerato la struttura del pacchetto, l'induttanza della struttura aggiuntiva del pacchetto sposta il picco di risonanza a circa 450MHz, vedi la linea blu. Dopo aver incluso il sistema di alimentazione del chip, Il condensatore di disaccoppiamento nel chip rimuove quei picchi di risonanza ad alta frequenza, ma allo stesso tempo introduce un picco di risonanza 30MHz molto debole, vedi la linea verde. Questa risonanza 30MHz si manifesterà nel dominio temporale come una valle di tensione sull'involucro IF del segnale flip ad alta frequenza. Il disaccoppiamento on-chip è molto efficace ma al costo di utilizzare prezioso spazio on-chip e consumare più corrente di perdita. Spostare i condensatori di disaccoppiamento in chip alla struttura del pacchetto può essere un buon compromesso, ma richiede al progettista di avere conoscenza dell'intero sistema dal chip, e struttura del pacchetto alla Scheda PCB.