Diseño electrónico - Guía de diseño del sistema de alimentación de PCB

Hoy en día, es difícil diseñar un sistema electrónico de alta velocidad sin comprender completamente las características de los chips, la estructura de encapsulamiento y el sistema de alimentación de la placa de circuito impreso. De hecho, para satisfacer un voltaje de alimentación más bajo, una voltereta más rápida de la señal, un mayor nivel de integración y muchas necesidades cada vez más desafiantes, muchos de los procesos de diseño de productos que están a la vanguardia de las empresas de diseño electrónico invierten mucho dinero, mano de obra y recursos materiales en el análisis de sistemas eléctricos para Garantizar la integridad de la fuente de alimentación y la señal.

En el campo del diseño de circuitos de alta velocidad, especialmente en las industrias de computadoras, semiconductores, comunicaciones, redes y electrónica de consumo, el análisis y diseño de sistemas de energía se ha vuelto cada vez más importante. A medida que la tecnología de circuitos integrados a gran escala se reduzca aún más, el voltaje de alimentación de los circuitos integrados seguirá disminuyendo. A medida que más y más fabricantes cambian de 130 nm a 90 nm, podemos esperar que el voltaje de la fuente de alimentación caiga a 1,2 V o incluso menos, mientras que la corriente aumentará significativamente. Desde el punto de vista de la reducción de la presión ir de corriente continua hasta el control de fluctuación de tensión dinámica de ca, debido a que el rango de ruido permitido es cada vez más pequeño, esta tendencia de desarrollo plantea un gran desafío para el diseño del sistema de suministro de energía.

Resumen del diseño del sistema de alimentación de PCB

Por lo general, en el análisis de ca, la resistencia de entrada entre la fuente de alimentación y el suelo es una observación importante para medir las características del sistema de fuente de alimentación. La determinación de esta observación en el análisis de corriente continua evolucionó hacia el cálculo de la caída de presión infrarroja. Ya sea en el análisis de corriente continua o ac, los factores que afectan las características del sistema de alimentación son: la capa de pcb, la forma del plano de la capa de la placa de alimentación, la disposición de los componentes, la distribución de agujeros y pines, etc.

El concepto de resistencia de entrada entre la fuente de alimentación y el suelo se puede utilizar para la simulación y análisis de los factores anteriores. Por ejemplo, una aplicación muy amplia de la resistencia de entrada a tierra de la fuente de alimentación es evaluar la ubicación de los condensadores de acoplamiento en la placa. Al colocar un cierto número de condensadores de desacoplamiento en la placa, se puede inhibir la resonancia característica de la propia placa, reduciendo así la generación de ruido, y también se puede reducir la radiación de borde de la placa para aliviar los problemas de compatibilidad electromagnética. Para mejorar la fiabilidad del sistema de suministro de energía y los costos de fabricación del sistema degradado, los ingenieros de diseño del sistema deben considerar a menudo cómo elegir el diseño del sistema del capacitor de desacoplamiento de manera económica y efectiva.

El sistema de alimentación en el sistema de circuitos de alta velocidad se puede dividir en tres subsistemas físicos: chip, estructura de encapsulamiento de circuitos integrados y pcb. La red eléctrica en el chip está compuesta por capas metálicas alternadas. Cada capa está compuesta por tiras metálicas en la dirección X o y que forman una fuente de alimentación o una red de tierra. El agujero conecta las barras metálicas de diferentes capas.

Para algunos chips de alto rendimiento, el núcleo y la fuente de alimentación Io integran muchas unidades de desacoplamiento. La estructura de encapsulamiento de circuitos integrados, al igual que los PCB en miniatura, tiene varias capas de fuentes de alimentación o placas inferiores con formas complejas. En la superficie superior de la estructura de encapsulamiento, generalmente se conserva la posición de instalación del condensadores de desacoplamiento. Los PCB suelen contener grandes fuentes de alimentación continuas y placas inferiores, así como algunos componentes de condensadores de desacoplamiento discretos grandes y pequeños y módulos de rectificadores de Potencia (vrm). El cable de unión, la protuberancia C4 y la bola de soldadura conectan el chip, el encapsulamiento y el pcb.

Todo el sistema de alimentación garantizará que los componentes de circuitos integrados proporcionen un voltaje estable dentro del rango normal. Sin embargo, las corrientes de conmutación y los efectos parasitarios de alta frecuencia en estos sistemas de energía siempre introducen ruido de voltaje.

De hecho, esto también revela otro hecho muy importante, es decir, el rango de frecuencia de los condensadores de desacoplamiento discretos colocados en el PCB solo puede alcanzar cientos de mhz. No importa cuán alta sea la frecuencia, la inducción parasitaria de cada capacitor de desacoplamiento discreto y la inducción de bucle (capacitor a chip) de la placa de circuito y el agujero reducirán considerablemente el efecto de desacoplamiento. Es imposible reducir aún más la resistencia de entrada del sistema de alimentación simplemente colocando condensadores de desacoplamiento discretos en el pcb. Desde cientos de MHz hasta un rango de frecuencia más alto, los condensadores entre placas del sistema de alimentación de la estructura encapsulada y los condensadores de desacoplamiento discretos colocados en la estructura encapsulada jugarán un papel. En el rango de frecuencia de ghz, los condensadores entre redes eléctricas en el chip y los condensadores de desacoplamiento en el chip son soluciones de desacoplamiento.

En uno de los ejemplos mostrados, la línea roja es la resistencia de entrada después de colocar algunos condensadores de desacoplamiento discretos en el pcb. aparecen cuatro picos de resonancia entre 600 y 700 mhz. Después de considerar la estructura de encapsulamiento, la inducción de la estructura de encapsulamiento adicional mueve el pico de resonancia a unos 450 mhz, como se muestra en la Línea Azul. Después de incluir el sistema de alimentación del chip, los condensadores de desacoplamiento en el chip eliminan esos picos de resonancia de alta frecuencia, pero al mismo tiempo introducen picos de resonancia muy débiles de 30 mhz, como se muestra en la Línea Verde. Esta resonancia de 30 MHz se expresará en el dominio del tiempo como un valle de voltaje en el sobre de frecuencia intermedia de la señal de volteo de alta frecuencia.