PCBブログ - PCBボード電源システムの解析と設計について

現在高速設計 PCBボードチップの電源システム特性を徹底的に把握することなく、電子システムが成功するのは難しい。パッケージ構造とPCBボード。事実上、低い供給電圧を満たすために、より高速な信号反転速度、高い統合、より多くの挑戦的な要件を満たさなければならない。電子設計の最前線の多くの会社は、電源供給を確実にするために製品設計プロセスにある。シグナルの整合性、たくさんの金、マンパワーは電力供給システムの分析には、材料資源が投資される。高速回路設計において電力供給システム（PDS）の解析と設計はますます重要になっている。特にコンピュータで、半導体、コミュニケーション、ネットワーキング、家電産業に対して、VLSI技術の不可避なスケーリングだ。集積回路の供給電圧は減少し続ける。130 nm技術から90 nm技術までますます多くのメーカーが動くにつれて、供給電圧が1に低下することは予想できる。2 Vあるいはそれよりも低い。一方、電流も大幅に増加する。直流IR電圧降下のACダイナミック電圧変動制御の観点から、許容ノイズ範囲が小さくなっているので、この開発動向は電力供給システムの設計に大きな課題をもたらす。

PCBボード電源システムの設計概要

通常、AC解析において、電源接地間の入力インピーダンスは、電源システムの特性を測定するために重要な観察だ。この観測の決定は直流解析におけるir低下の計算に発展する。直流または交流解析においては、PCB基板の積層、パワーボード層面の形状、部品のレイアウト、ビア・ピンの分布等の影響を受けている。例えば、接地入力インピーダンスへの電力の非常に広い応用は、ボード上のデカップリングコンデンサの配置を評価することだ。ボード上に配置された特定の数のデカップリングコンデンサを用いることにより、回路基板自体の固有の共振を抑制することができ、それによってノイズの発生を低減し、また、回路基板のエッジ放射を低減して、電磁両立性問題を軽減する。電力系統の信頼性を向上させ、システムの製造コストを低減するため、システム設計技術者は、デカップリングコンデンサのシステムレイアウトをいかに効果的に選択するかを考える必要がある。高速回路システムの電源システムは、通常、3つの物理サブシステムに分けられる。チップ、集積回路パッケージ構造、およびPCBボード。チップ上のパワーグリッドは交互に配置された複数の金属層から構成される。各金属層は、XまたはY方向に金属ストリップからなり、電力または接地格子を形成し、ビアは異なる層の金属ストリップを接続する。いくつかの高性能チップでは、多くのデカップリングユニットがコアまたはIOの電源に組み込まれる。集積回路パッケージ構造は、低減されたPCBボードのように、いくつかの層のパワーまたは接地面を有する。パッケージ構造の上面には、通常、デカップリングコンデンサの設置位置がある。PCBボードは、通常、大面積で小さい離散的なデカップリングコンデンサ構成要素および電力整流モジュール（VRM）と同様に、連続的な大面積電力および接地面を含む。ボンディング・ワイヤ、C 4衝突およびハンダ・ボールは、チップ、パッケージおよびPCBを連結する。電力供給システム全体は、各集積回路装置が正常範囲内で安定した電圧を供給されることを保証しなければならない。しかし、これらの電源系統におけるスイッチング電流と寄生高周波の効果は常に電圧ノイズを導入する。電圧変化は計算することができる。Zは、装置で観察されるように、電源システム全体の電源とグラウンドとの間の入力インピーダンスだ。電圧変動を減らすために、電源と地面の間で低い抵抗を保ってください。DCの場合、Zは純粋な抵抗になるので、低抵抗は低電源IR電圧降下に対応する。ACケースでは、低抵抗もスイッチング電流によって生成される過渡ノイズを低減する。勿論、Zは広い周波数帯域にわたって小さく保つ必要がある。なお、電源とグランドは信号戻りと基準面として使用されることが多いので、電源系と信号分配系との間には密接な関係がある。しかしながら、スペース制限のために、同期スイッチングノイズ（IO SSO）によって導入される電源システムにおけるノイズ現象および電流ループ制御の問題は、ここでは論じない。以下のセクションは、信号システムを無視して、電源システムの解析に純粋に集中するでしょう。

直流IRドロップ

チップのパワーグリッドの特徴寸法は非常に小さい（数ミクロンまたはそれより小さい）ので、チップ内の抵抗損失は深刻なので、チップ内のIR電圧降下は広く研究されてきた。次の場合では、PCB上のIR電圧降下（数十から数百ミリボルトの範囲）もまた、高速システム設計に対してより大きな影響を与える。パワーボード層では、ボード平面は、スイスのチェス構造、ネックダウン構造、および動的配線（図1）のために分割される。デバイス・ピン、ビア、ハンダ・ボール、そして、電流がパワーボード・レイヤーの上で通過する。C4衝突は、電源ボードの不十分なナンバー、電源プレートの不十分な厚み、不均衡な電流路、その他システム設計は、低電圧、高電流、およびより厳しい電圧浮動範囲を必要とする。例えば、高密度及び高ピン数を有するデバイスは、多くのビア及びアンチパッドのために、PCBパッケージ構造及びPCB基板の電力分配層にいわゆるスイス・チェス構造効果を形成することが多い。スイスのチェス構造は、高い抵抗の多くの小さな金属領域を生産しする。電源システムによっては、このような高抵抗の電流経路が存在し、PCB上の構成要素に現在送られている電圧は、設計要件よりも低くなる。したがって、良好なDC−IR電圧降下シミュレーションは、電源システムの許容電圧降下範囲を推定するためのキーだ。様々な可能性の分析を通して、事前およびポスト配置およびルーティングのための設計ソリューションまたは規則を提供する。レイアウトエンジニア、システムエンジニア、信号完全性エンジニア、およびパワーデザインエンジニアは、PCB上の各電源とグラウンドのネットリストのデザインルールチェックを実行する際の最終段階として、制約管理者にIRドロップ解析を組み込むこともできる。検査ツール・自動化されたソフトウェア解析を通して、この設計フローは、視覚検査または経験によって見つからない複雑な電源システム構造上のレイアウトおよび配線問題を避けることができる。図2は、IRドロップ解析が、高性能PCB上の電源システムにおける臨界電圧および電流の分布を正確に特定できることを示している。

交流接地インピーダンス解析

多くの人が一対の金属板がプレートコンデンサを構成していることを知っているので、パワープレート層の特性は、電源電圧の安定性を確保するためにプレート容量を提供することだ。周波数が低く、信号波長がパネルのサイズよりもはるかに大きいとき、パワーボード層とフロアはコンデンサを形成する。しかし、周波数が高くなるとパワープレーン層の特性が複雑になる。より正確には、一対の平板が平板伝送線路系を構成する。電源と接地との間のノイズ、または対応する電磁場は、伝送線路の原理に従って基板間を伝搬する。ノイズ信号がパネルのエッジに伝搬すると、高周波エネルギーの一部が放射されるが、大きな部分が反射される。プレートの異なる境界からの多重反射はpcbボードの共振現象を構成する。ac解析において，pcbボードの接地インピーダンスへの電力の共鳴はユニークな現象だ。比較のために，純キャパシタのインピーダンス特性と純インダクタンスをプロットした。基板の大きさは30 cm≒20 cm、基板間の間隔は100μm、充填材はFR-4だ。基板上のパワー整流モジュールは3 nhインダクタに置き換えられる。純粋に容量性インピーダンス特性を示す20 nFコンデンサだ。基板上にパワー整流モジュールがない場合、数十メガバイトの周波数範囲では、平板のインピーダンス特性（赤線）はキャパシタンス（青線）と同じだがわかる。100 mhz以上では，スラブのインピーダンス特性は誘導性（緑色線に沿った）だ。数百メガバイトの周波数範囲に達した後、いくつかの共鳴ピークの出現はプレートの共振特性を示し、プレートはもはや純粋に誘導性ではない。現在、低抵抗電源システム（DCからAC）は、低電圧変動を得るためのキーであることが明らかだ。誘導効果を低減し、容量効果を増大させ、それらの共鳴ピークを除去または低減することは設計目標だ。

電源システムのインピーダンスを減らすために、いくつかの設計指針を従わなければならない。

1）電源とフロア層との距離を減らす。

2）プレートのサイズを大きくします。

3）充填媒体の誘電率を向上させること。

4）電力と床の層の複数のペアを使用する。

しかしながら、製造又は他の設計上の考慮により、設計技術者は、電源システムのインピーダンスを変更するために、より柔軟で効果的な方法を使用する必要がある。インピーダンスを低減し、それらの共振ピークを除去するために、PCB上にディスクリートデカップリングコンデンサを配置することは、一般的な方法となっている。

電源システムの入力インピーダンスは、Sigrity PowerSiで計算される。

a .電力整流モジュールがなく、ボード上にデカップリングコンデンサが配置されていない。

b .電力整流モジュールを短絡回路でシミュレートし、デカップリングコンデンサを基板上に配置しない。

c .電力整流モジュールを短絡回路でシミュレートし、デカップリングコンデンサを基板上に配置する。

ボード上のディスクリートデカップリングコンデンサを配置することにより、設計者は、低電力に接地ノイズを得るために、電源システムのインピーダンスを調整することができる。しかし、場所の選択、何人選ぶ。そして、選択するデカップリングコンデンサの種類は、一連の設計問題のままだ。したがって、特定の設計のためのデカップリング解決を求め、適切な設計ソフトウェアを使用し、電源システムの広範なシミュレーションを行うことがしばしば必要がある。

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