Leiterplattentechnisch - Design der Leistungsintegrität in High Speed PCB

I. Einleitung

Mit der allmählichen Zunahme der PCB-Design Komplexität, zusätzlich zur Reflexion, Übersprechen, und EMI-Analyse zur Signalintegrität, Stabile und zuverlässige Stromversorgung ist auch eine der wichtigsten Forschungsrichtungen für Designer geworden. Besonders wenn die Anzahl der Schaltgeräte weiter zunimmt und die Kernspannung weiter abnimmt, Schwankungen der Stromversorgung haben oft fatale Auswirkungen auf das System, Also schlagen die Leute einen neuen Begriff vor: Macht Integrität, referred to as PI (powerintegrity). Auf dem heutigen internationalen Markt, IC-Design ist relativ entwickelt, aber das Design der Netzintegrität ist immer noch ein schwaches Glied. Daher, Dieser Artikel schlägt die Erzeugung von Stromintegritätsproblemen in Leiterplatten, analysiert die Faktoren, die die Netzintegrität beeinflussen, und schlägt Optimierungsmethoden und empirische Entwürfe zur Lösung von Problemen der Netzintegrität vor. Leiterplatten. Es hat starke dieoretische Analyse und praktische technische Anwendungen. Wert.

2. Die Ursache und Analyse von Stromversorgungsgeräuschen

Wir analysieren die Ursache von Stromversorgungsgeräuschen anhand eines NAND-Schaltplans. Der Schaltplan in Abbildung 1 ist ein Strukturdiagramm eines NAND-Gates mit drei Eingängen. Da das NAND Gate ein digitales Gerät ist, funktioniert es durch Umschalten zwischen "1" und "0" Ebenen. Mit der kontinuierlichen Verbesserung der IC-Technologie wird die Schaltgeschwindigkeit digitaler Geräte immer schneller, was mehr hochfrequente Komponenten einführt, und die Induktivität in der Schleife kann leicht Leistungsschwankungen bei hohen Frequenzen verursachen. Wie in Abbildung 1, wenn die NAND-Gate-Eingänge alle hoch sind, wird der Transistor in der Schaltung eingeschaltet, die Schaltung kurzzeitig kurzgeschlossen und die Stromversorgung lädt den Kondensator auf, während sie in den Erdungskabel fließt. Zu diesem Zeitpunkt können wir aufgrund der parasitären Induktivität auf der Stromleitung und der Erdungsleitung aus der Formel V=LdI/dt wissen, dass dies Spannungsschwankungen auf der Stromleitung und der Erdungsleitung verursachen wird, wie in Abbildung 2 am steigenden Rand des Pegels gezeigt. Ich lärm. Wenn der NAND-Gate-Eingang niedrig ist, entlädt sich der Kondensator zu diesem Zeitpunkt, was ein großes ΔI-Rauschen auf dem Boden erzeugt; und die Stromversorgung zu diesem Zeitpunkt hat nur die plötzliche Stromänderung, die durch den sofortigen Kurzschluss der Schaltung verursacht wird, weil es keine Ladung zum Kondensator gibt. Die plötzliche Änderung des Stroms ist kleiner als die steigende Kante. Aus der Analyse der NAND-Gate-Schaltung wissen wir, dass die Hauptursachen für die Netzinstabilität hauptsächlich in zwei Aspekten liegen: Erstens ist der transiente Wechselstrom zu groß, wenn das Gerät mit hoher Geschwindigkeit geschaltet wird;

Die zweite ist die Induktivität, die auf der Stromschleife existiert. The so-called ground power integrity problem means that in a high-speed PCB, wenn eine große Anzahl von Chips gleichzeitig ein- oder ausgeschaltet wird, Ein großer transienter Strom wird in der Schaltung erzeugt. Zur gleichen Zeit, aufgrund der Existenz von Induktivität und Widerstand auf der Stromleitung und Erdungsleitung, Es wird Spannungsschwankungen auf beiden Seiten geben. Die Natur des Stromintegritätsproblems kennen, Wir wissen, dass, um das Problem der Energieintegrität zu lösen, vor allem, für Hochgeschwindigkeitsgeräte, Wir fügen Entkopplungskondensatoren hinzu, um seine hochfrequenten Rauschkomponenten zu entfernen, um die Übergangszeit des Signals zu verringern; Für die Induktivität in der Schleife, Wir müssen den hierarchischen Aufbau der Stromversorgung berücksichtigen.

Drittens die Anwendung von Entkopplungskondensatoren

In High-Speed PCB Design, Entkopplungskondensatoren spielen eine wichtige Rolle, und seine Platzierung ist auch sehr wichtig. Denn wenn das Netzteil die Last für kurze Zeit mit Strom versorgt, Die gespeicherte Ladung im Kondensator kann verhindern, dass die Spannung fällt. Wenn der Kondensator in einer falschen Position platziert ist, Die Leitungsimpedanz kann zu groß sein und die Stromversorgung beeinträchtigen. Zur gleichen Zeit, Der Kondensator kann Hochfrequenzgeräusche beim Hochgeschwindigkeitsschalten des Gerätes herausfiltern. In unserer Hochgeschwindigkeit PCB-Design, Wir fügen im Allgemeinen einen Entkopplungskondensator an das Ausgangsende der Stromversorgung und das Leistungseingangsende des Chips hinzu. The capacitance value close to the power supply end is generally larger (such as 10μF). Dies liegt daran, dass wir in der Regel verwenden, um das Stromversorgungsgeräusch zu filtern., Die Resonanzfrequenz der Gleichstromversorgung kann relativ niedrig sein; zur gleichen Zeit, Der große Kondensator kann die Stabilität des Netzteilausgangs gewährleisten. Für den Entkopplungskondensator, der dem Pin des an die Stromversorgung angeschlossenen Chips hinzugefügt wird, its capacitance value is generally small (such as 0.1μF), weil in Hochgeschwindigkeitsspitzen, die Rauschfrequenz ist im Allgemeinen höher, Die Resonanzfrequenz des Kondensators sollte hoch sein., das ist, Die Kapazität des Entkopplungskondensators sollte klein sein.

Bezüglich der Platzierung von Entkopplungskondensatoren wissen wir, dass eine falsche Platzierung die Leitungsimedanz erhöht, ihre Resonanzfrequenz verringert und die Stromversorgung beeinträchtigt. Für den Entkopplungskondensator und die Induktivität im Chip oder Netzteil können wir die Formel verwenden:

In der Formel l: die Linienlänge zwischen Kondensator und Chip; r: Linienradius; d: der Abstand zwischen der Stromleitung und dem Boden;

Daraus wissen wir, dass Sie, um die Induktivität L zu reduzieren, l und d reduzieren müssen, das heißt, den Schleifenbereich reduzieren müssen, der durch den Entkopplungskondensator und den Chip gebildet wird, d. h., der Kondensator und der Chip müssen so nah wie möglich an der Chipvorrichtung sein.

Vierte, the Auslegung des Stromkreises

Um die Integrität der Stromversorgung sicherzustellen, wissen wir, dass ein gutes Stromverteilungsnetz unerlässlich ist. Zunächst einmal müssen wir für das Design der Stromleitung und der Erdungsleitung sicherstellen, dass die Leitungsbreite dicker ist (zum Beispiel ist die Breite 40mil und die gewöhnliche Signalleitung 10mil), um den Impedanzwert so weit wie möglich zu reduzieren. Da die Geschwindigkeit des Chips immer höher wird, verwenden wir gemäß der 5/5-Regel immer mehr Mehrschichtplatinen, die von einer dedizierten Leistungsschicht und einer dedizierten Masseschicht angetrieben werden, um eine Schleife zu bilden, wodurch die Induktivität der Schaltung reduziert wird.