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PCBブログ - PCBボード上の配電システムとは

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PCBボード上の配電システムとは

2022-09-14
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Author:iPCB

通常我々が示すもの PCBボード, これパワー 配電システム(PDS)とは、システムに電力を供給する必要がある機器や機器に電源の電力を分配するサブシステムを指す。すべての電気系統に配電系統がある, 建物の照明システムなど, オシロスコープ, a PCBボード, パッケージ, チップとチップ, 内部に配電系統がある.


PCB給電システム

代表的な製品において、配電システムは、電圧調整モジュール(VRM)からPCBボード、パッケージ及びチップへのすべての相互接続を含む。それは4つのセクションに分けられることができます:電圧調節モジュール(VRM)は、そのフィルタ・コンデンサ―電源を含みます;PCBボード上のバルクコンデンサ、高周波デカップリングコンデンサ、相互接続ライン、ビア、電源/グランドプレーン-パッケージ上のPCBボード配電システムパッケージピン、ボンドワイヤ、相互接続および埋め込まれたコンデンサ-パッケージ上の配電システムオンチップ相互接続とコンデンサなど-チップ上の配電システム。PCB上のいわゆる配電システムは、電源の電力を電力を供給する必要のある様々なチップおよびデバイスに分配するPCB上のシステムを指す。本稿は主にPCBボード上の配電システムに焦点を当てており、以下に示す配電系統やPDSはPCBボード上の配電システムを指す。配電系統の役割は、適切かつ安定した電圧を伝送することであり、これは、PCB上のすべての位置における電圧が、任意の負荷条件の下で正しいと安定して維持されることを意味する。配電系統の正しい安定運転の研究は,電力完全性問題と呼ぶ。

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パワーインテグリティ

所謂電力健全性は、配電システムを通過した後にデバイスポートに対して電力供給を必要とするデバイスポートにおける作業電力要件を有するシステム電源のコンプライアンスの度合いを指す。一般的に言えば、PCBボード上の電源を必要とするデバイスは、動作電源のための特定の要件を有する。チップを一例として、通常、3つのパラメータ:制限電源電圧:チップの電源ピンが耐える限界電源電圧を参照する。チップの電源電圧は、このパラメータの必須範囲を超えてはならない。そうでなければ、チップに損傷を与える可能性があるこの範囲内では、チップの機能は保証されないチップが一定の期間のこのパラメタの限界値にあるならば、それはチップ長期安定性に影響を及ぼします;推奨された作動電圧:チップの電源ピンの電圧が正常にかつ確実に動作するようにチップの電源ピンの電圧を保証する必要がある範囲を指し、通常は、V作動電圧±X %として表される。ここで、Vは、チップ作動電圧の電源ピンの典型的な値であり、X %は許容電圧変動範囲であり、共通Xは5または3である電源ノイズ:チップの電源ピンの電圧の許容リップルノイズを参照して、チップを正常にかつ確実に動作させることができ、通常、そのピークツーピーク値を使用して特性化する。チップのデータシートは、通常、「制限電源電圧」および「推奨動作電圧」の要件を提供する。「電源ノイズ」については別途設けることはできない。この場合、パラメータ「推奨動作電圧」に含まれてもよい。そして、「電源ノイズ」はこの記事の焦点であり、後で別々に議論される。上記の例を説明すると、電源の一貫性の問題は、システム電源が配電系統を通過した後、チップの異なる電源ピンの電源の「限界電源電圧」および「推奨された作動電圧」をチップピンに対して論じることである。ここでは、要求音としては、電源ノイズノイズが必要である。


配電系統の3つの特性

配電系統の物理媒体は、コネクタ、ケーブル、トレース、パワープレーン、GNDプレーン、ビア、パッド、チップピン等を含み、その物理的特性(材料、形状、サイズ等)は異なる。配電系統の目的は、電力供給する必要のある装置にシステム電源の電力を供給し、安定した電圧および完全な電流ループを提供することであるので、電力分配システムの3つの電気的特性に焦点を絞るだけである。


抵抗特性

抵抗は、通常はRによって表されるDC電流に対する導体の抵抗を特徴づける物理量である。主な物理的特徴は、電流Iが流れたときに、電気エネルギーを熱エネルギー(I 2 R)に変換し、それを横切って直流電圧降下(IR)を生成することである。導体の物理的性質であり、温度依存性であり、金属の抵抗率は一般に温度と共に増加する。配電系統のどこにも抵抗が存在する。ケーブルとコネクタには直流抵抗と接触抵抗が存在し、銅配線、電源層、接地層、ビアに分布抵抗が存在し、半田、パッド、チップピンにはDC抵抗が存在する。それらの間には接触抵抗がある。IR低下:この効果は、電源網に沿って徐々に電源電圧を減少させるか、基準接地の電圧を上昇させる。そして、それは電源を必要とするデバイスのポートの電圧を減らす。そして、電源健全性問題を生じる熱動力散逸:この効果は電力が熱に変換され、同時にシステムの温度を上昇させ、システムの安定性と信頼性を損なう。RS上の電圧降下IRSは、電源の出力電圧Voutputを低下させ、電源経路上の電圧降下IR 1は負荷の供給電圧Vccを低下させ、リターンパス上の電圧降下IR 2は負荷のGNDレベルを上昇させる。上記の抵抗Rs,R 1,R 2の電圧降下は全て負荷の電源電圧Vcc−GNDの低下につながり、電力の完全性の問題を引き起こす。配電系統の抵抗によって発生する熱損失は、電源の電力を熱に変換し、無駄に放散させ、それによってシステムの効率を低下させる。同時に、加熱によってシステムの温度が上昇し、いくつかの装置(例えば、電解コンデンサ)の寿命が低下し、システムの安定性及び信頼性に影響を及ぼす。いくつかの地域の過度の電流密度は、局所的な温度が上昇し続けるか、燃え尽きることも引き起こします。これらの2つの効果はシステムに有害であり,その影響は抵抗の抵抗値に比例することが分かった。


インダクタンス特性

インダクタンスは、交流に対する導体の抵抗を特徴づける物理量である。導体に電流が流れると、導体の周囲に磁界が形成される。電流が変化すると、磁場も変化し、変化する磁場は導体の両端に誘起電圧を形成する。電圧の極性は、誘導された誘導が電流を変化させる原因となる。導体の周囲の他の導体の電流変化が導体の周りの磁場を変化させると、誘導電圧も導体に発生し、電圧の極性は誘導電流を元の電流を妨げる原因となる。変更。この導体の電流変化を妨げる効果をインダクタンスといい、前者を自己インダクタンスL、後者を相互インダクタンスMと呼ぶ。ここでは、サイズ、形状、相対位置に関係なく、相互インダクタンス:2つの導体A、Bの2つの特性を直接与える。導体Aと導体Bとの相互インダクタンスは、導体Bに対する導体Bの相互インダクタンス、すなわち相互インダクタンスは、両方の導体に等しく共通である相互インダクタンスは自己インダクタンスより小さい:任意の2つの導体の相互インダクタンスはいずれの導体の自己インダクタンスよりも小さい。電流変化に起因するこの誘導電圧は、信号完全性(電力完全性を含む)において重要であり、伝送線効果、突然の変化、漏話、SSN、レール崩壊、接地バウンスおよび最もEMIを引き起こすことがある。配電系統ではインダクタンスが遍在する。コネクタ、ケーブル、銅線、パワー層、グランド層、ビア、パッド、チップピン等は全てインダクタンスを有し、互いに近接する導体間に相互インダクタンスが存在する。ブランチAのローカル自己インダクタンスがLaであると仮定すると、ブランチBの局所自己インダクタンスはLBであり、これらの2つのブランチ間の局所相互インダクタンスはMであり、ループ内の電流はI . 2分岐が平行で電流が逆方向に流れるので、それらによって発生する磁場は反対方向にある。Aが増加すると、Aが増加すると仮定すると、LAによって生成された誘導電圧の極性は、ブランチAにおいてIを妨げる。しかし、Mによって生成される誘導電圧の極性は、ブランチAにおけるIの増加を助ける。ブランチAが電力経路を表し、ブランチBがリターンパスを表し、VAが電力経路上のパワーノイズ(レール崩壊/パワーバウンス)を表す。また、VBはリターンパス上のトラック崩壊/グランドバウンスノイズを示す。これら2種類のノイズの両方が電源電圧の不安定性を引き起こし、電力の完全性問題を引き起こす。したがって、我々の設計目標の1つは、上記2つの電圧を減らすことである。ループ電流の変化率をできるだけ小さくすることは、負荷によって引き出された電流の急激な変化速度を低減する必要があり、電源経路と戻り経路を共有する電源ポートの数を制限しなければならないことを意味するつの枝の間のローカル相互インダクタンス。可能な限り最短で最も広い電力経路と戻り経路を使用している分岐手段のローカル自己インダクタンスを減らすこと。局所相互インダクタンスを増加することは、2つのブランチが平行である必要があることを意味する。そして、逆の前提の下で可能な限り近い。上記の解析から、電流が変化するときのインダクタンスに起因する誘導電圧は、電力完全性における多くの問題の原因であることが分かる。したがって、配電系統の上記誘導電圧を低減することは、設計目標の一つである。


この論文では電力分配システムが議論の主な目的である, そして、その仕事の関連した内容は、パワー完全性の問題です. 配電系統は抵抗を有する, 誘導および容量特性, それぞれ. 抵抗および誘導特性は電力完全性に有害である, 容量特性は電力完全性に有益である. 我々の設計目標は、抵抗特性と誘導特性の影響を減らすか、あるいは除去することである, そして、容量特性の影響を強化する PCBボード.