Elektronisches Design - Richtlinien für das Design von PCB-Stromversorgungssystemen

Heute, Es ist schwierig, ein Hochgeschwindigkeits-elektronisches System ohne ein gründliches Verständnis des Chips zu entwerfen, Paketstruktur, und Leiterplatte Eigenschaften des Stromversorgungssystems. In der Tat, um die niedrigere Versorgungsspannung zu erfüllen, Signal Flip schneller, höherer Integrationsgrad, und viele immer anspruchsvollere Anforderungen, Viel an der Spitze von elektronischen Designunternehmen im Produktdesignprozess zu gehen, um sicherzustellen, dass die Integrität der Stromversorgung und des Signals, die Analyse des Energiesystems in viel Geld, Arbeitskräfte und materielle Ressourcen.

Die Analyse und Auslegung von Stromversorgungssystemen (PDS) gewinnt im Bereich des Hochgeschwindigkeitsschaltungsdesigns zunehmend an Bedeutung, insbesondere in der Computer-, Halbleiter-, Kommunikations-, Netzwerk- und Unterhaltungselektronikindustrie. Mit der unvermeidlichen weiteren Skalierung der VLSI-Technologie wird die Versorgungsspannung integrierter Schaltungen weiter sinken. Da immer mehr Hersteller von 130nm auf 90nm wechseln, können wir erwarten, dass die Versorgungsspannung auf 1.2V oder sogar niedriger sinkt, während der Strom deutlich ansteigt. Von der DC-IR-Spannungsreduktion bis zur dynamischen AC-Spannungsschwankungssteuerung bringt dieser Entwicklungstrend aufgrund des immer kleineren zulässigen Rauschbereichs große Herausforderungen an die Auslegung von Stromversorgungssystemen mit sich.

Übersicht über das Design des PCB-Stromversorgungssystems

Normalerweise in der AC-Analyse ist die Eingangsimpedanz zwischen Stromquellen und Masse eine wichtige Beobachtung, um die Eigenschaften des Stromversorgungssystems zu messen. Die Bestimmung dieser Beobachtung in der DC-Analyse entwickelt sich zur Berechnung des IR-Druckabfalls. Ob in der DC- oder Wechselstromanalyse, die Faktoren, die die Eigenschaften des Stromversorgungssystems beeinflussen, sind: PCB-Schicht, die Form der Leiterplattenschicht-Ebene, das Layout der Komponenten, die Verteilung von Löchern und Stiften und so weiter.

Das Konzept der Eingangsimpedanz zwischen Energiequellen und Erde kann in der Simulation und Analyse der oben genannten Faktoren verwendet werden. Eine sehr breite Anwendung der Erdungseingangsimpedanz der Stromversorgung besteht beispielsweise darin, die Platzierung von Entkopplungskondensatoren auf Platinen zu bewerten. Mit einer bestimmten Anzahl von Entkopplungskondensatoren auf der Platine kann die charakteristische Resonanz der Platine selbst unterdrückt werden, wodurch die Geräuschentwicklung reduziert und auch die Randstrahlung der Platine reduziert wird, um Probleme mit der elektromagnetischen Verträglichkeit zu lindern. Um die Zuverlässigkeit von Stromversorgungssystemen und die Herstellungskosten von degradierten Systemen zu verbessern, müssen Systemkonstrukteure oft überlegen, wie sie das Systemlayout von Entkopplungskondensatoren wirtschaftlich und effektiv wählen können.

Das Stromversorgungssystem im Hochgeschwindigkeitsschaltsystem kann in drei physikalische Subsysteme unterteilt werden: Chip, integrierte Schaltungspaketstruktur und Leiterplatte. Das Stromnetz auf dem Chip besteht aus abwechselnden Metallschichten. Jede Schicht besteht aus Metallstreifen in X- oder Y-Richtung, die das Strom- oder Erdnetz bilden. Löcher verbinden die Metallstreifen in verschiedenen Schichten.

Bei einigen Hochleistungschips sind sowohl der Kern als auch das IO-Netzteil mit vielen Entkopplungseinheiten integriert. Die Struktur des integrierten Schaltungspakets besteht, wie eine Miniaturplatine, aus mehreren Schichten kompliziert geformter Netzteile oder Bodenplatten. Auf der oberen Oberfläche der Paketstruktur ist die Einbauposition des Entkopplungskondensators normalerweise reserviert. PCB enthält normalerweise kontinuierliche große Stromversorgung und Bodenplatte sowie einige große und kleine diskrete Entkopplungskondensatorelemente und Leistungsgleichrichtermodul (VRM). Bonddrähte, C4 Bumps und Lötkugeln verbinden Chip, Paket und Leiterplatte miteinander.

Das gesamte Stromversorgungssystem sollte sicherstellen, dass die integrierten Schaltungskomponenten eine stabile Spannung im Normalbereich liefern. Schaltströme und parasitäre Hochfrequenzeffekte in diesen Stromversorgungssystemen führen jedoch immer zu Spannungsrauschen.

Tatsächlich offenbart es auch eine weitere sehr wichtige Tatsache, dass der Frequenzbereich der diskreten Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte nur wenige hundert Megahertz erreichen kann. Wie hoch die Frequenz auch ist, die parasitäre Induktivität jedes diskreten Entkopplungskondensators und die Schleifeninduktivität (Kondensator zu Chip) der Platine und durch das Loch verringern den Entkopplungseffekt erheblich. Eine weitere Reduzierung der Eingangsimpedanz des Stromversorgungssystems ist nur durch Platzieren diskreter Entkopplungskondensatoren auf der Leiterplatte nicht möglich. Von mehreren hundert Megahertz bis zu höheren Frequenzbereichen kommt die Interplatenkapazität des Stromversorgungssystems der Gehäusestruktur sowie die diskrete Entkopplungskapazität auf der Gehäusestruktur zum Tragen. Im GHz-Frequenzbereich sind die Kondensatoren zwischen den Stromnetzen im Chip und den Entkopplungskondensatoren im Chip die Entkopplungslösung.

In einem gezeigten Beispiel ist die rote Linie die Eingangsimpedanz einer Leiterplatte, nachdem einige diskrete Entkopplungskondensatoren darauf platziert wurden. Vier resonante Peaks erscheinen bei 600MHz bis 700MHz. Nach Berücksichtigung der Paketstruktur verschiebt die Induktivität der zusätzlichen Paketstruktur den Resonanzpeak auf etwa 450MHz, wie in der blauen Linie gezeigt. Nach dem Einschluss des Chip-Stromversorgungssystems entfernt der Entkopplungskondensator im Chip diese hochfrequenten Resonanzspitzen, führt aber gleichzeitig eine sehr schwache Resonanzspitze von 30MHz ein, wie in der grünen Linie gezeigt. Diese 30MHz Resonanz wird im Zeitbereich als Spannungstrog in der Mittelfrequenzhülle des Hochfrequenzsignals dargestellt.