Leiterplatte Blog - Was ist das Stromverteilungssystem auf der Leiterplatte

Normalerweise, was wir zeigen auf Leiterplatte, the Leistung distribution system (PDS) refers to the subsystem that distributes the power of the Power Source to the devices and devices in the system that need to be powered. Es gibt ein Stromverteilungssystem in allen elektrischen Systemen, wie das Beleuchtungssystem eines Gebäudes, ein Oszilloskop, a Leiterplatte, ein Paket, und einen Chip, alle verfügen über ein Stromverteilungssystem im Inneren.

Stromverteilungssystem auf Leiterplatte

In einem typischen Produkt umfasst das Stromverteilungssystem alle Verbindungen vom Spannungsregelmodul (VRM) über die Leiterplatte, das Gehäuse und den Chip. Es kann in vier Abschnitte unterteilt werden: Spannungsregelmodul (VRM) einschließlich seiner Filterkondensator-Stromversorgung; Bulk-Kondensator auf Leiterplatte, Hochfrequenz-Entkopplungskondensator, Verbindungsleitung, über, Leistung/Erdungsebene und Leiterplattenleistungsverteilungssystem auf dem Paket; Paketstifte, Bonddrähte, Verbindungsleitungen und eingebettete Kondensatoren schließen Stromverteilungssystem auf dem Paket an; On-Chip-Verbindungen und Kondensatoren usw. versorgen das Stromverteilungssystem auf dem Chip. Das sogenannte Stromverteilungssystem auf der Leiterplatte bezieht sich auf ein System auf der Leiterplatte, das die Leistung der Stromquelle auf verschiedene Chips und Geräte verteilt, die mit Strom versorgt werden müssen. Dieser Artikel konzentriert sich hauptsächlich auf das Stromverteilungssystem auf der Leiterplatte, daher stimmen wir überein, dass sich das unten genannte Stromverteilungssystem oder PDS auf das Stromverteilungssystem auf der Leiterplatte bezieht. Die Rolle des Stromverteilungssystems besteht darin, korrekte und stabile Spannung zu übertragen, was bedeutet, dass die Spannung an allen Positionen auf der Leiterplatte unter allen Lastbedingungen korrekt und stabil gehalten werden kann. Die Untersuchung des korrekten und stabilen Betriebs eines Stromverteilungssystems ist das, was wir das Problem der Netzintegrität nennen.

Netzintegrität

Die sogenannte Netzintegrität bezieht sich auf den Grad der Übereinstimmung der Systemstromversorgung mit den Arbeitsanforderungen an dem Geräteanschluss, der eine Stromversorgung relativ zum Geräteanschluss benötigt, nachdem er das Stromverteilungssystem durchlaufen hat. Im Allgemeinen haben die Geräte, die eine Stromversorgung auf der Leiterplatte benötigen, bestimmte Anforderungen an die Arbeitsstromversorgung. Nehmen wir den Chip als Beispiel, zeigt er normalerweise drei Parameter an: Grenzspannung der Stromversorgung: Es bezieht sich auf die Grenzspannung der Stromversorgung, der die Stromversorgungsstifte des Chips standhalten können. Die Stromversorgungsspannung des Chips kann den erforderlichen Bereich dieses Parameters nicht überschreiten, andernfalls kann es zu Schäden am Chip führen; Innerhalb dieses Bereichs ist die Funktion des Chips nicht garantiert; Wenn der Chip für einen bestimmten Zeitraum am Grenzwert dieses Parameters liegt, wirkt sich dies auf die langfristige Stabilität des Chips aus; Empfohlene Arbeitsspannung: bezieht sich auf den Bereich, in dem die Spannung der Stromversorgungspins des Chips gewährleistet werden muss, damit der Chip normal und zuverlässig arbeitet, normalerweise ausgedrückt als "V±x%", wobei V der typische Wert der Stromversorgungspins des Chips Arbeitsspannung ist, x% ist der zulässige Spannungsschwankungsbereich, der gemeinsame x ist 5 oder 3; Stromversorgungsrausch: bezieht sich auf das zulässige Wellenrauschen auf der Spannung der Stromversorgungsstifte des Chips, damit der Chip normal und zuverlässig arbeitet, normalerweise mit seinem Peak-to-Peak-Wert zu charakterisieren. Das Datenblatt des Chips enthält in der Regel die Anforderungen für "Grenzspannung" und "empfohlene Betriebsspannung". Für "Stromversorgungsgeräusche" kann es nicht separat bereitgestellt werden. In diesem Fall kann sie in den Parameter "empfohlene Betriebsspannung" aufgenommen werden. Und "Stromversorgungsgeräusche" steht im Mittelpunkt dieses Artikels, und wird später separat diskutiert. Um das obige Beispiel zu veranschaulichen, besteht das Problem der Netzintegrität darin, die "Grenznetzversorgungsspannung" und die "empfohlene Arbeitsspannung" der Stromversorgung an verschiedenen Stromversorgungsstiften des Chips relativ zu den Chippins zu diskutieren, nachdem die Systemnetzversorgung das Stromverteilungssystem durchläuft. Anforderungen an Stromversorgungsgeräusche.

Drei Merkmale des Stromverteilungssystems

Die physikalischen Medien des Stromverteilungssystems sind verschieden, einschließlich Stecker, Kabel, Spur, Energieebene, GND-Ebene, Via, Pad, Chippins usw., und ihre physikalischen Eigenschaften (Material, Form, Größe usw.) sind unterschiedlich. Da der Zweck des Stromverteilungssystems darin besteht, die Leistung der Systemstromversorgung an die Geräte zu liefern, die mit Strom versorgt werden müssen, um eine stabile Spannung und eine vollständige Stromschleife bereitzustellen, konzentrieren wir uns nur auf drei elektrische Eigenschaften des Stromverteilungssystems: Widerstandsmerkmale, Induktivitätsmerkmale und Kapazitätsmerkmale.

Widerstandsmerkmale

Widerstand ist eine physikalische Größe, die den Widerstand eines Leiters gegen Gleichstrom charakterisiert, normalerweise repräsentiert durch R. Seine wichtigste physikalische Eigenschaft ist, dass, wenn ein Strom I fließt, er elektrische Energie in Wärmeenergie (I2R) umwandelt und einen Gleichspannungsabfall (IR) über ihn erzeugt. Ist eine physikalische Eigenschaft eines Leiters und ist temperaturabhängig, steigt der Widerstand eines Metalls im Allgemeinen mit der Temperatur an. Widerstand existiert überall im Stromverteilungssystem: Gleichstrom- und Kontaktwiderstand gibt es in Kabeln und Steckverbindern, verteilter Widerstand in Kupferdrähten, Stromversorgungsschichten, Masseschichten und Durchkontaktierungen und Gleichstrom-Widerstand in Löten, Pads und Chippins. Es gibt Kontaktwiderstand zwischen ihnen. IR-Tropfen: Dieser Effekt bewirkt, dass die Stromversorgungsspannung entlang des Stromverteilungsnetzes allmählich abnimmt, oder die Spannung der Bezugsmasse steigt, was die Spannung am Port des Geräts verringert, das mit Strom versorgt werden muss, was Probleme mit der Netzintegrität verursacht; Wärmeableitung: Dieser Effekt reduziert die Stromversorgung Die Energie wird in Wärme umgewandelt, und gleichzeitig verursacht sie einen Anstieg der Systemtemperatur, was die Stabilität und Zuverlässigkeit des Systems gefährdet. Der Spannungsabfall IRS auf RS reduziert die Ausgangsspannung Voutput der Stromversorgung, der Spannungsabfall IR1 auf dem Strompfad reduziert die Versorgungsspannung Vcc der Last, und der Spannungsabfall IR2 auf dem Rückweg erhöht das GND-Niveau der Last. Die Spannungsabfälle der oben genannten Widerstände RS-R1 und R2 führen alle zur Verringerung der Versorgungsspannung VCC-GND der Last und verursachen das Problem der Netzintegrität. Der durch den Widerstand des Stromverteilungssystems erzeugte Wärmeverlust führt dazu, dass die Leistung der Stromversorgung in Wärme umgewandelt und vergeblich abgeführt wird, wodurch die Effizienz des Systems verringert wird. Gleichzeitig führt die Erwärmung dazu, dass die Temperatur des Systems steigt, wodurch die Lebensdauer einiger Geräte (wie Elektrolytkondensatoren) verringert wird und somit 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 zum Widerstandswert des Widerstands ist, so dass die Verringerung der Widerstandseigenschaften des Stromverteilungssystems eines unserer Designziele ist.

Induktionseigenschaften

Induktivität ist eine physikalische Größe, die den Widerstand eines Leiters gegen einen Wechselstrom charakterisiert. Wenn ein 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. Die Polarität der Spannung verursacht die induzierte Induktion Der Strom behindert die Änderung des ursprünglichen Stroms; Wenn die Stromänderung in anderen Leitern um den Leiter bewirkt, dass sich das Magnetfeld um den Leiter ändert, wird auch eine induzierte Spannung im Leiter erzeugt, und die Polarität der Spannung bewirkt, dass der induzierte Strom den Originalstrom behindert. Das Wechselgeld. Der Effekt dieses Leiters, die Stromänderung zu behindern, wird Induktivität genannt, erstere wird Selbstinduktivität L genannt, und letztere wird gegenseitige Induktivität M genannt. Hier geben wir direkt zwei Eigenschaften der gegenseitigen Induktivität an: Symmetrie: zwei Leiter a und b, unabhängig von Größe, Form und relativer Position, Die gegenseitige Induktivität von Leiter a zu Leiter b ist gleich der gegenseitigen Induktivität von Leiter b zu Leiter a, das heißt, die gegenseitige Induktivität ist beiden Leitern gleichermaßen gemein; Die gegenseitige Induktivität ist kleiner als die Selbstinduktivität: Die gegenseitige Induktivität von zwei Leitern ist geringer als die Selbstinduktivität eines Leiters. Diese induzierte Spannung, die durch Stromänderungen verursacht wird, ist signifikant in der Signalintegrität (einschließlich der Netzintegrität) und kann Übertragungsleitungseffekte, abrupte Veränderungen, Übersprechen, SSN, Rail Collapse, Ground Bounce und die meisten EMI verursachen. Im Stromverteilungssystem ist Induktivität allgegenwärtig. Steckverbinder, Kabel, Kupferdrähte, Leistungsschichten, Masseschichten, Durchkontaktierungen, Pads, Chippins usw. haben alle Induktivität, und es gibt gegenseitige Induktivität zwischen Leitern, die nah beieinander sind. Angenommen, die lokale Selbstinduktivität des Zweiges a ist La, die lokale Selbstinduktivität des Zweiges b ist Lb, die lokale gegenseitige Induktivität zwischen diesen beiden Zweigen ist M und der Strom in der Schleife ist I. Da die beiden Zweige parallel sind und die Ströme in entgegengesetzte Richtungen fließen, sind die von ihnen erzeugten Magnetfelder in entgegengesetzte Richtungen. Unter der Annahme, dass I für Zweig a zunimmt, wird die Polarität der induzierten Spannung, die von La erzeugt wird, das I in Zweig a behindern, aber die Polarität der induzierten Spannung, die von M erzeugt wird, hilft der Anstieg von I in Zweig a. Wenn Zweig a den Leistungspfad und Zweig b den Rückweg repräsentiert, repräsentiert Va das Leistungsrauschen (Schienenkollaps/Leistungssprung) auf dem Leistungspfad, und Vb repräsentiert das Rauschen des Gleiskollapses/Ground Bounce auf dem Rückweg. Beide Arten von Rauschen verursachen Instabilität der Netzspannung und verursachen Probleme mit der Netzintegrität. Daher ist eines unserer Designziele die Reduzierung der oben genannten beiden Spannungen. Es gibt zwei Möglichkeiten: Verringern Sie die Änderungsrate des Schleifenstroms so weit wie möglich: Dies bedeutet, dass die plötzliche Änderungsgeschwindigkeit des durch die Last gezogenen Stroms reduziert werden muss, die Anzahl der Stromversorgungsanschlüsse, die den Stromversorgungspfad und den Rückweg teilen, begrenzt werden muss; Die lokale gegenseitige Induktivität zwischen den beiden Zweigen. Um die lokale Selbstinduktivität des Zweiges zu reduzieren, müssen möglichst kurze und breiteste Leistungs- und Rücklaufwege verwendet werden. Die Erhöhung der lokalen gegenseitigen Induktivität bedeutet, dass die beiden Zweige parallel sein müssen. Und so nah wie möglich unter der Prämisse der Rückwärtsbewegung. Aus der obigen Analyse kann man sehen, dass die induzierte Spannung, die durch die Induktivität verursacht wird, wenn sich der Strom ändert, die Quelle vieler Probleme in der Leistungsintegrität ist, so dass die Verringerung der oben genannten induzierten Spannung des Stromverteilungssystems eines unserer Designziele ist.

Das Stromverteilungssystem ist der Hauptgegenstand der Diskussion in diesem Beitrag, und der damit verbundene Inhalt seiner Arbeit ist die Frage der Machtintegrität. Das Stromverteilungssystem hat resistive, induktive und kapazitive Eigenschaften, jeweils. Resistive und induktive Eigenschaften sind schädlich für die Netzintegrität, während kapazitive Eigenschaften vorteilhaft für die Netzintegrität sind. Unser Designziel ist es, den Einfluss resistiver und induktiver Eigenschaften zu reduzieren oder gar zu eliminieren., und den Einfluss kapazitiver Eigenschaften auf Leiterplatte.