PCB-Neuigkeiten - Was genau ist das Stromverteilungssystem auf der Leiterplatte

Im Allgemeinen bezieht sich PDS auf das Subsystem, das die Leistung der Stromquelle auf die Geräte und Komponenten im System verteilt. Stromverteilungssysteme existieren in allen elektrischen Systemen, wie dem Beleuchtungssystem eines Gebäudes, einem Oszilloskop, einer Leiterplatte, einem Paket, einem Chip, seinem internen Stromverteilungssystem.

Stromverteilungssystem auf Leiterplatte

In einem typischen Produkt besteht das Stromverteilungssystem aus allen Verbindungen vom Spannungsreglermodul (VRM) zur Leiterplatte, Verpackung und dann auf dem Chip. Sie kann in vier Abschnitte unterteilt werden:

Das Spannungsregelmodul (VRM) umfasst die Stromversorgung des Filterkondensators;

Bulk-Kapazität auf Leiterplatte, Hochfrequenz-Entkopplungskapazität, Verbindungsleitungen, durch Löcher, Energie-/Erdungsebene-Netzverteilungssystem auf Leiterplatte;

Verpackte Pins, Bonddrähte, Verbindungsleitungen und eingebettete Kondensatoren sind verpackte Stromverteilungssysteme;

Auf der Verbindung und der Kapazität auf der Spannungsverteilung auf dem Chip.

Dieser Artikel konzentriert sich auf Teil 2, das Stromverteilungssystem auf Leiterplatten. Der Rest liegt außerhalb des Anwendungsbereichs dieses Artikels.

Das Stromverteilungssystem auf PCB bezieht sich auf das System, in dem PCB die Power of Power Source an verschiedene Chips und Geräte verteilt, die Stromversorgung benötigen. Dieser Artikel konzentriert sich auf das Stromverteilungssystem auf PCB, so dass wir übereinstimmen, dass das unten genannte Stromverteilungssystem oder PDS sich auf das Stromverteilungssystem auf PCB bezieht.

Die Rolle des Stromverteilungssystems besteht darin, die richtige und stabile Spannung zu übertragen, was bedeutet, dass die Spannung an allen Stellen auf der Leiterplatte unter allen Lastbedingungen korrekt und stabil bleiben kann. Die Untersuchung des korrekten und stabilen Betriebs des Stromverteilungssystems wird das Problem der Stromintegrität genannt.

Netzintegrität

Die Netzintegrität bezieht sich auf den Grad, in dem die Stromversorgung des Systems die Anforderungen an die Stromversorgung am Geräteanschluss erfüllt, der die Stromversorgung nach Durchgang durch das Stromverteilungssystem benötigt.

Im Allgemeinen haben die Komponenten, die Stromversorgung auf PCB benötigen, bestimmte Anforderungen an die Arbeitsstromversorgung. Am Beispiel des Chips wird er normalerweise als drei Parameter ausgedrückt:

Ultimative Stromversorgungsspannung: bezieht sich auf die ultimative Stromversorgungsspannung, die der Stromversorgungsspin des Chips tragen kann. Die Versorgungsspannung des Chips kann den erforderlichen Bereich nicht überschreiten; andernfalls kann der Chip beschädigt werden. Innerhalb dieses Bereichs ist die Funktion des Chips nicht garantiert; Befindet sich der Chip für eine bestimmte Zeit im Grenzwert dieses Parameters, wird die Langzeitstabilität des Chips beeinträchtigt.

Empfohlene Betriebsspannung: bezieht sich auf den Spannungsbereich, den der Chip-Netzteilstift erfüllen muss, damit der Chip normal und zuverlässig arbeitet. Es wird normalerweise durch "V± X%" dargestellt, wobei V die typische Betriebsspannung des Chip-Netzteilstifts ist, x% der zulässige Spannungsschwankungsbereich und das gemeinsame X 5 oder 3 ist.

Spannungsversorgungsrausch: Das Ripple-Rauschen, das an der Spannungsversorgung des Chips erlaubt, damit der Chip zuverlässig arbeitet und normalerweise durch seinen Peak-to-Peak-Wert dargestellt wird.

Die Anforderungen "Grenzversorgungsspannung" und "empfohlene Betriebsspannung" sind normalerweise für den Chip vorgesehen, aber "Leistungsrauschen" dürfen nicht separat bereitgestellt werden, was im Parameter "empfohlene Betriebsspannung" enthalten sein kann. Das "Power Noise" steht im Mittelpunkt dieser Arbeit und wird später separat diskutiert.

Um die oben genannten Beispiele zu veranschaulichen, besteht das Problem der Spannungsversorgungsintegrität darin, zu diskutieren, wie das Systemnetzteil die Anforderungen an "Grenzspannung der Stromversorgung", "empfohlene Betriebsspannung" und "Stromversorgungsrauschen" an verschiedenen Stromversorgungspins des Chips nach dem Durchlaufen des Stromverteilungssystems erfüllt.

Drei Merkmale eines Stromverteilungssystems

Die physikalischen Medien des Stromverteilungssystems sind vielfältig, einschließlich Stecker, Kabel, Trace, Power Plane, GND Plane, Via, Löt, Pad, Chippin usw. Sie unterscheiden sich in physikalischen Eigenschaften (Material, Form, Größe usw.). Da der Zweck des Stromverteilungssystems darin besteht, die Leistung der Systemstromversorgung an das Gerät zu liefern, das Stromversorgung benötigt, um stabile Spannung und vollständige Stromschleife bereitzustellen, konzentrieren wir uns nur auf drei elektrische Eigenschaften des Stromverteilungssystems: Widerstandseigenschaften, Induktivitätseigenschaften und Kapazitätseigenschaften.

Widerstandsmerkmale

Widerstand ist eine physikalische Größe, die den Hinderniseffekt des Leiters auf Gleichstrom darstellt, normalerweise repräsentiert durch R. Seine wichtigste physikalische Eigenschaft ist, dass, wenn Strom I fließt, elektrische Energie in Wärmeenergie (I2R) umgewandelt wird und DC-Spannungsabfall (IR) an beiden Enden erzeugt wird.

Widerstand ist eine Eigenschaft des Leiters selbst, die mit der Temperatur, dem Material, der Länge und der Querschnittsfläche des Leiters zusammenhängt und durch Formel 1.1 bestimmt wird:

-- Widerstand des Leiters

-- Länge des Leiters

– Die Querschnittsfläche des Leiters

Unter ihnen

Eine physikalische Eigenschaft eines Leiters und bezogen auf die Temperatur. Der Widerstand eines Metalls nimmt im Allgemeinen mit der Temperatur zu.

Widerstand existiert überall im Stromverteilungssystem: Gleichstromwiderstand und Kontaktwiderstand existieren in Kabeln und Steckverbindern, verteilter Widerstand existiert in Kupferdraht, Leistungsschicht, Schicht und Durchgangsloch, Gleichstromwiderstand existiert in Löt-, Pad- und Chippin und Kontaktwiderstand besteht zwischen ihnen.

Diese Widerstände erzeugen, wenn Strom durch sie fließt, zwei Effekte:

DC-Spannungsabfall (IR-Tropfen): Dieser Effekt bewirkt, dass die Stromversorgungsspannung entlang des Stromverteilungsnetzes allmählich abnimmt oder die Spannung der Bezugsmasse ansteigt, wodurch die Spannung des Ports des Geräts verringert wird, das eine Stromversorgung benötigt, was zu Problemen mit der Stromversorgung führt.

Wärmeableitung: Wärmeableitung wandelt Energie von Netzteilen in Wärme um und erhöht die Systemtemperatur, was die Systemstabilität und Zuverlässigkeit beeinträchtigt.

Entspricht dem Widerstand und der Last des Stromverteilungssystems der Schaltung gemäß Abbildung 1.1:

Wo Vsource die Versorgungsspannung darstellt, Voutput die Ausgangsspannung, RS den Versorgungswiderstand, R1 den verteilten Widerstand auf dem Stromversorgungspfad darstellt, R2 den verteilten Widerstand auf dem Rücklaufpfad. Wenn der Schleifenstrom I ist, wird die Versorgungsspannung der Last in Gleichung 1.2 angezeigt:

Der Spannungsabfall IRS auf RS reduziert die Ausgangsspannung Voutput der Stromversorgung, der Spannungsabfall IR1 auf dem Stromversorgungspfad verringert die Versorgungsspannung Vcc der Last, und der Spannungsabfall IR2 auf dem Rückweg erhöht das GND-Niveau der Last. Der Spannungsabfall der Widerstände RS, R1 und R2 oben reduziert die Versorgungsspannung vCC-GND der Last, was zu Problemen mit der Netzintegrität führt.

Der Wärmeverlust auf dem Widerstand des Stromverteilungssystems führt dazu, dass die Leistung der Stromversorgung in Wärme umgewandelt und abgeführt wird, wodurch die Effizienz des Systems verringert wird. Gleichzeitig verursacht die Heizung den Temperaturanstieg des Systems, verringert die Lebensdauer einiger Geräte (wie Elektrolytkondensatoren), wodurch die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems beeinträchtigt wird. Übermäßige Stromdichte in einigen Gebieten führt auch dazu, dass die lokale Temperatur weiter ansteigt oder sogar ausbrennt.

Aus der obigen Analyse kann ersichtlich werden, dass diese beiden Effekte schädlich für das System sind und ihr Einfluss proportional zur Größe des Widerstandswertes ist, so dass die Verringerung der Widerstandseigenschaften des Stromverteilungssystems eines unserer Designziele ist.

Induktionscharakteristik

Induktivität ist eine physikalische Größe, die den Widerstand eines Leiters gegen Wechselstrom charakterisiert. Wenn der Strom durch den Leiter fließt, wird ein Magnetfeld um den Leiter gebildet. Wenn sich der Strom ändert, ändert sich auch das Magnetfeld, und das sich ändernde Magnetfeld bildet eine induzierte Spannung an beiden Enden des Leiters. Durch die Polarität der Spannung wird der induzierte Strom die Änderung des ursprünglichen Stroms behindern. Wenn eine Änderung des Magnetfeldes um einen Leiter durch eine Änderung des Stroms in anderen Leitern verursacht wird, wird auch im Leiter eine induzierte Spannung erzeugt, und die Polarität der Spannung bewirkt, dass der induzierte Strom die Änderung des ursprünglichen Stroms behindert. Die Wirkung dieses Leiters gegen die Änderung des Stroms wird Induktivität genannt, erstere als Selbstinduktivität L, letztere als gegenseitige Induktivität M. Hier geben wir direkt zwei Eigenschaften der gegenseitigen Induktivität an:

Symmetrie: zwei Leiter A und B, unabhängig von Größe, Form und relativer Position, ist die gegenseitige Induktivität von Leiter A zu Leiter B gleich der gegenseitigen Induktivität von Leiter B zu Leiter A, das heißt, die gegenseitige Induktivität ist gleich den beiden Leitern;

Gegenseitige Induktivität kleiner als Selbstinduktivität: Die gegenseitige Induktivität von zwei Leitern ist geringer als die Selbstinduktivität eines Leiters.