Leiterplattentechnisch - Wie man PCB-Netzteil-Design ausbalanciert

Bei der Gestaltung eines komplexeren Leiterplatte, Sie müssen einige Design-Kompromisse machen. Wegen dieser Kompromisse, Es gibt mehrere Faktoren, die das Design des Stromverteilungsnetzes einer Leiterplatte beeinflussen.

Wie man PCB-Netzteil-Design ausbalanciert

Wenn der Kondensator auf der Leiterplatte installiert ist, gibt es eine zusätzliche Schleifeninduktivität, die mit der Kondensatorinstallation zusammenhängt. Der Wert der Schleifeninduktivität ist konstruktiv abhängig. Die Induktivität der Schleife hängt von der Breite und Länge der Leitung vom Kondensator zum Loch ab, der Länge der Leitung, die den Kondensator mit der Energie-/Masseebene verbindet, dem Abstand zwischen den beiden Löchern, dem Durchmesser des Lochs, dem Lötpad des Kondensators usw. Abbildung 1 zeigt die Installationsgrafiken verschiedener Kondensatoren.

Schlüsselpunkte bei der Konstruktion der Verringerung der Induktivität der Kondensatorschaltung:

Löcher sollten so nah wie möglich am Kondensator platziert werden. Verringern Sie den Abstand zwischen Leistung und Erdloch. Wenn möglich, verwenden Sie mehrere Paare von Netzteilen/Erdlöchern parallel. Zum Beispiel sollten die beiden Löcher mit entgegengesetzter Polarität des Stroms so nah wie möglich platziert werden, und die Löcher mit der gleichen Polarität des Stroms sollten so weit wie möglich platziert werden.

Verbinden Sie Löcher mit Kapazitätsstiften mit kurzen, breiten Drähten.

â�Platzieren Sie die Kondensatoren auf der Oberfläche der Leiterplatte (oben und unten) so nah wie möglich an der entsprechenden Leistungs-/Masseebene. Dadurch wird der Abstand zwischen den Löchern verringert. Verwenden Sie einen dünnen Elektrolyt zwischen der Energie/Masse.

Als nächstes sind drei verschiedene Konstruktionsfälle für Kondensator-Montage und Ausbreitungsinduktivität aufgeführt. Fig.2 zeigt die Einführung der Induktivität in die Schleife unter verschiedenen Konstruktionsbedingungen.

Fall 1- Schlechtes Design

"Designer konzentrieren sich nicht auf das Design von Stromverteilungsnetzen (PDN).

Der Abstand der Löcher ist nicht optimiert.

Der Abstand zwischen Stromversorgung und Erdungsebene ist nicht optimiert.

Lange Kabelabstand zwischen Loch und Kondensatorstift.

Für die gesamte Schleifeninduktivitätsgröße kommt die Schleifeninduktivität in erster Linie von der angelegten Linie, da die Leitungslänge des schlechten Designs fünfmal so lang ist wie die anderen beiden Fälle (gutes Design und sehr gutes Design). Der Abstand von der Basis, auf der der Kondensator installiert ist, zur nahen Ebene ist auch ein wichtiger Faktor für die Induktivitätsgröße der Schleife. Da dies nicht optimiert ist (10mil), ist der Effekt der Verdrahtung auf die Induktivitätsgröße der gesamten Schleife sehr groß. Da der Designer 10mil dielektrisches Material zwischen der Stromquelle und dem Boden verwendet hat, kommt der sekundäre Faktor in der Schleifeninduktivität von der Ausbreitungsinduktivität. Der Abstand zwischen den Löchern ohne Optimierung ist nicht so signifikant wie die Länge der Löcher. Die Wirkung des Lochs wird größer, wenn das Loch länger ist.

Fall 2- Gutes Design

"Die Designer konzentrierten sich auf den Entwurf eines partiellen Stromverteilungsnetzes (PDN).

"Verbesserte Abstände der Löcher. Die Länge des Lochs bleibt gleich.

⯠Verbesserter Abstand zwischen Stromversorgung und Bodenebene.

Der Drahtabstand von Loch zu Kondensatorstift ist optimiert.

Die Schaltungsinduktivität des Drahtes ist immer noch der Hauptbeitrag zur Gesamtschaltungsinduktivität. Allerdings ist die Induktivität der gut entworfenen Schaltung etwa 2,7-mal kleiner als die der schlecht entworfenen Schaltung. Da die Designer die Dicke des Dielektrikums von 10mil auf 5mil reduzierten, wurde die Ausbreitungsinduktivität halbiert. Die Auswirkung der Perforationen wird leicht verbessert, indem der Abstand zwischen den Perforationen verringert wird.

â├Ą Designer legen großen Wert auf das Design von PDN.

â¿ Verbesserte Abstände und Länge der Löcher.

Der Abstand zwischen Stromversorgung und Erde wurde ebenfalls vollständig optimiert.

Der Drahtabstand von Loch zu Kondensatorstift ist optimiert.

Die Induktivität eines sehr guten Designs ist etwa 7,65-mal geringer als die eines schlechten Designs. Dies wird erreicht, indem die Dicke auf der Leiterplatte von der unteren Oberfläche, auf der der Kondensator installiert ist, auf die nahe flache Schicht aufgrund der reduzierten Länge der Verkabelung reduziert wird. Da die Konstrukteure die Dicke der Elektrolytschicht zwischen Stromquelle und Boden optimiert haben, wird die Ausbreitungsinduktivität stark reduziert. Da der Lochabstand und die Lochlänge stark reduziert werden, wird die Schleifeninduktivität durch das Loch auch deutlich verbessert. Im Vergleich zu schlechten Designs wird die Gesamtschleifeninduktivität sehr guter Designs um einen der sieben Hauptfaktoren reduziert.

Auf der Leiterplatte wird durch Montage des Kondensators zusätzliche Induktivität durch die Lochschleife eingeführt, wodurch die Resonanzfrequenz des Kondensators reduziert wird. Dies müssen Sie bei der Auslegung eines Stromverteilungsnetzes (PDN) berücksichtigen. Die Reduktion der Schleifeninduktivität ist eine sichtbare Möglichkeit, die Impedanz bei der Auslegung bei hohen Frequenzen zu reduzieren.

Für ein bestimmtes Netzteil produziert das PDN-Tool eine Leiterplatte, die ein sehr gutes Design mit einer höheren Trennfrequenz als ein sehr gutes Design oder ein schlechtes Design zeigt. Dies kann das Gegenteil des erwarteten Ergebnisses sein, da die Entkopplung bei höheren Abschaltfrequenzen mehr Kapazität erfordert als die Entkopplung bei niedrigeren Abschaltfrequenzen. In sehr gut durchdachten Fällen bedeuten höhere Grenzfrequenzen, dass höhere Frequenzen entkoppelt werden können. Auf der Leiterplatte platzierte Kondensatoren haben einen entkoppelnden Effekt auf Rauschen bis zu einer hohen Frequenz.

Bei schlechtem Design kann die Leiterplatte, die die untere Grenzfrequenz überschreitet, nicht entkoppelt werden. Jede zusätzliche Kondensator-Addition, d.h. das Hinzufügen eines Entkopplungskondensators über die Cutoff-Frequenz hinaus erhöht nur die Stücklistenkosten und hat keinen Einfluss auf den Entkopplungseffekt. Im Vergleich zu einem sehr guten Design ist das Design des Stromverteilungsnetzes bei schlechtem Design anfälliger für Rauschen bei einer bestimmten Frequenz. Angenommen, eine 20-Schicht-Leiterplatte hat eine Gesamtdicke von 115mil. Die Stromversorgungsschicht befindet sich im dritten Stock. Die Dicke von Schicht (die Schicht, in der sich das FPGA befindet) bis Schicht 3 beträgt 12mil. So ist die Dicke von unten bis zur dritten Schicht 103mil. Die Energiequelle und die Bildung werden durch das Dielektrikum nach 3mil getrennt. Die Induktivitätsgröße der BGA-Bohrung für diese Art von Schiene ist 5 nh (5-Paare von Löchern für diese Art von Stromschiene). Um den engen Layoutbereich der Schicht zu bewältigen, ist der damit verbundene Entkopplungskondensator in der unteren Schicht installiert. Dieser Kompromiss führt aufgrund der langen Perforationen solcher Anlagen zu einem sehr hohen Induktivitätswert für die Kondensatormontage. Nach vollständiger Optimierung beträgt die installierte Induktivität des 0402-Paketkondensators 2.3nH an der Unterseite und 0.57nH am selben Kondensator in der Schicht.

Um diesen PDN-Effekt für die Spur zu verbessern, können Sie einige Hochfrequenz-Kondensatoren in der Ebene platzieren, während die Mittelfrequenz- und Bulk-Kondensatoren in ihrer ursprünglichen Position in der unteren Schicht bleiben. Dieser Schaltungsdesign ist eine Trennlösung für PDN, da der Hochfrequenzkondensator der Kondensator ist, der unterhalb der Trennfrequenz reagiert. Der Effekt der Kapazität hängt von der Gesamtschleifeninduktivität (Kondensator Montageinduktivität, Ausbreitungsinduktivität +BGA Locheinduktivität) und FPGA ab. Sie können den Hochfrequenzkondensator in der Schicht und etwas weg vom FPGA platzieren. Die Ausbreitungsinduktivität des Kondensators außerhalb des FPGA Breakout Bereichs beträgt 0,2nh. Diese neue Platzierungsmethode ist vorteilhaft im Vergleich zur ursprünglichen Low-Level-Platzierungsmethode, da die Gesamtschleifeninduktivität (0,57nh,0,2nh,0,05nh=0,82nH) kleiner ist als die Gesamtinduktivität, wenn sie in der unteren Schicht platziert wird.

Die Ausbreitungsinduktivität der Leiterplatte ist designabhängig, sie ist gleichmäßig im Medium zwischen der Stromversorgung und der Masseebene vorhanden. Dicke von 3mil oder weniger ist entworfen, um die Ausbreitungsinduktivität der Ebene zu reduzieren. Sie können diese Designrichtlinien befolgen, um die PDN-Leistung zu verbessern. Hier sind einige Entwurfsrichtlinien für sequentielle Bedeutung, Schicht zu Schicht. Entwurfsrichtlinien für Schicht sind wichtig.