Tecnología de PCB - Guía de diseño de PCB de alta velocidad ii: evitar trampas de diseño en sistemas de señal híbridos

Resumen: para usar con éxito el SOC actual, los diseñadores a nivel de tablero y sistema deben entender cómo colocar mejor los componentes, trazar el diseño y usar los componentes de protección.

Se llaman teléfonos celulares digitales, pero contienen más funciones analógicas que los llamados teléfonos celulares analógicos anteriores. De hecho, cualquier sistema que necesite procesar valores de Estado continuo (como voz, imagen, temperatura, presión, etc.) tendrá su función de simulación, incluso si la palabra número aparece en el nombre. La PC multimedia de hoy no es una excepción. Tienen entrada y salida de voz y video, monitoreo de temperatura de emergencia en la unidad central de procesamiento de calefacción y módem de alto rendimiento. Estos sistemas también son proyectos en la lista de funciones de señal mixta. Y cada vez más.

La tendencia de estos dos sistemas plantea nuevos desafíos a quienes diseñan vehículos híbridos. El volumen y el peso de los dispositivos portátiles de comunicación y computación siguen disminuyendo, pero sus funciones siguen aumentando. Los sistemas de escritorio continúan aumentando la capacidad de los procesadores centrales y la velocidad de los periféricos de comunicación. Lo cierto es que es bastante difícil diseñar placas de circuito digitales modernas evitando errores causados por campanas, ruidos y rebotes de potencial de tierra. Sin embargo, cuando agregas esas líneas de señal analógicas vulnerables al ruido cerca de las líneas de datos digitales de excitación de ondas cuadradas, el problema se vuelve más grave.

A nivel de chip, los SOC actuales (sistemas en chip) requieren experiencia en circuitos lógicos, circuitos analógicos y diseño termodinámico. Para usar con éxito estos ic, los diseñadores a nivel de tablero y sistema necesitan saber cómo colocar mejor los componentes, los rastros de cableado y el uso de componentes de protección.

Este artículo describe las trampas comunes en el diseño actual de sistemas de señal mixta y proporciona algunas pautas para eliminarlas o eliminarlas. Sin embargo, antes de discutir temas específicos y hacer sugerencias, sería de gran ayuda conocer en detalle cómo las dos tendencias de miniaturización y alta velocidad en el diseño de sistemas afectan a estos temas.

1. tendencia a la "alta velocidad"

Comparando las especificaciones de la PC de gama media de 1999 con las de hace cinco años, la velocidad de su procesador central aumentó en aproximadamente un orden de magnitud, y la corriente consumida por la CPU también aumentó en aproximadamente varios órdenes de magnitud. Cuando combinas alta velocidad con alta corriente, la parte "di / dt" de la relación v = L (di / dt) mejorará considerablemente. De hecho, un cable de tierra de media pulgada de largo en la placa de circuito puede percibir en ella un voltaje superior a 1 voltio. para el convertidor, la línea de referencia del potencial de tierra induce un voltaje, lo que puede hacer que la operación se detenga.

Para lograr estas velocidades más altas, los IC están diseñados y fabricados con dimensiones submicron profundas (por ejemplo, 0,35 micras). aunque esto reduce las dimensiones geométricas y aporta un rendimiento más rápido, también hace que estos dispositivos sean más propensos a causar cerraduras y daños causados por el transitorio. Además, estos dispositivos requieren una gestión energética más estricta para ajustarse a un rango de voltaje permitido cada vez más estricto.

La actual tarjeta de interfaz de red Ethernet 10 / 100 (nic) es un buen ejemplo. El chip original 10BASE - T es un dispositivo CMOS de gran tamaño, que es relativamente insensible al daño de sobretensión. Sin embargo, el nuevo chip utiliza un ancho de línea de 0,35 isla 188m, que es muy sensible a los bloqueos y fallas causados por la energía eléctrica y los transeúntes instantáneos causados por Rayos.

Los servidores modernos con arquitectura SMP (capacidad multiprocesador simétrica) y las CPU que funcionan a frecuencias de 500 MHz o más son buenos ejemplos de los desafíos de distribución de energía. No se puede simplemente construir una fuente de alimentación 5v y cableado al bus correspondiente. Cambiar a 500 MHz con una corriente de hasta 20a o 30a, de hecho, requiere un convertidor independiente en cada punto de uso, más una mayor fuente de tensión principal para todos estos convertidores.

Esta tendencia requiere una función de enchufe en caliente, lo que significa que necesita ser capaz de insertar o eliminar placas de circuito en el sistema actual. Esto también es para predecir que habrá transeúntes. De esta manera, tanto la placa base insertada como la placa base deben estar adecuadamente protegidas.

Tanto la tendencia a la miniaturización como la alta velocidad tiene sus problemas únicos. Por ejemplo, para dispositivos pequeños, portátiles y portátiles, la distribución de energía de alta corriente no es un gran problema. Para computadoras de escritorio y servidores, prolongar la vida de la batería no será un problema. Sin embargo, los daños causados por el bloqueo y los instantes se han convertido en un problema en ambas áreas.

2. tendencia a la "miniaturización"

En comparación con los productos de hace cinco años, el número de chips de teléfonos móviles en 1999 fue mucho menor, el peso y el volumen se redujeron considerablemente y la vida útil de la batería se amplió considerablemente. En este proceso, el principal factor es el gran progreso de las soluciones IC de señal mixta. Sin embargo, a medida que la geometría del chip disminuye y la distancia entre los cables en la placa de circuito se acerca cada vez más, las leyes de la física comienzan a aparecer.

Los rastros paralelos se acercan cada vez más, produciendo un acoplamiento capacitivo parasitario cada vez mayor, que es solo el resultado de una relación inversa con el cuadrado de la distancia. En el pasado, solo había una pequeña cantidad de rastros espaciales, pero ahora incluyen muchos rastros. Por lo tanto, incluso el acoplamiento capacitivo entre trazas no adyacentes puede causar problemas.

Los teléfonos móviles están determinados por su naturaleza y son dispositivos que las personas poseen y usan. En días de baja temperatura, caminas por la alfombra, luego coges el teléfono y luego "chascas" - esto enviará pulsos de descarga estática de alta tensión (des) al dispositivo. Uno o más IC pueden dañarse sin una protección adecuada de la des. Sin embargo, aumentar los componentes externos para evitar daños en la des va en contra de la tendencia a la miniaturización.

Otro problema es la gestión energética. Los usuarios de teléfonos móviles esperan que el intervalo entre las dos cargas de la batería sea lo más largo posible. Esto significa que el convertidor DC a DC debe ser muy eficiente. La tecnología de conmutación es su respuesta, pero en este caso, el convertidor también se ha convertido en su propia fuente potencial de ruido. Por lo tanto, el convertidor debe seleccionarse, colocarse e interconectarse cuidadosamente. Además, dado que el volumen es un factor que no puede ser ignorado, se debe seleccionar el tipo de componente que puede utilizar el componente pasivo de menor tamaño físico. Si utiliza un regulador de tensión lineal, debe elegir un tipo de caída de uhv capaz de mantener la salida en el voltaje mínimo de la batería. Esto permite que la batería descargue tanto como sea posible antes de dejar de proporcionar suficiente electricidad.

3. bloqueo y transitorio

Los instantes desde el ancho de línea hasta el IC submicron profundo deterioran la sensibilidad a las condiciones de sobretensión, lo que significa que debe proteger estos dispositivos con más inteligencia sin afectar su rendimiento.

En la entrada de protección, cualquier elemento de protección debe manifestarse como un circuito de alta resistencia en condiciones normales de funcionamiento. Por ejemplo, si se quiere agregar un pequeño impacto a la señal de entrada normal, debe cargar la carga capacitiva más pequeña posible. Sin embargo, en el momento de la sobretensión, el mismo dispositivo debe ser la ruta principal de la energía instantánea, alejándola de la entrada del dispositivo protegido. Además, el voltaje tolerante del dispositivo de protección debe ser superior al voltaje máximo permitido en el PIN que protege. Del mismo modo, su tensión de compresión debe ser lo suficientemente baja como para evitar daños al equipo protegido. Esto se debe a que en condiciones transitorias, el voltaje en la entrada será el voltaje de compresión del dispositivo de protección.

Anteriormente, Los diodos de supresión de voltaje instantáneo (tvs) sujetaban efectivamente los transiciones en la placa de circuito impreso. Los diodos tradicionales (tvs) son dispositivos de Unión PN de estado sólido que funcionan bien a tensiones tan bajas como 5v. Tienen tiempo de respuesta rápido, bajo voltaje de compresión, alta capacidad de oleada de corriente, todas estas son las características necesarias. Sin embargo, el problema con los diodos tvs tradicionales es que si están por debajo del 5v, levantará la cabeza. Aquí, la tecnología de avalancha que usan es un obstáculo. Para lograr un voltaje de corte inferior a 5v, se necesita un alto dopaje (1018 / CM - 3 o más). Esto, a su vez, conduce a mayores condensadores y corrientes de fuga, ambas que pueden dañar el alto rendimiento. Los diodos tvs tradicionales tienen condensadores dependientes del voltaje, que aumentan a medida que disminuye el voltaje. Por ejemplo, a 5v, Los diodos protectores típicos de ESG tendrán un capacitor de Unión de 400pf. Podemos imaginar lo que pasaría si se aplicara una carga capacitiva de este tipo a un nodo de entrada de un transmisor o receptor 100base - tethernet, o a una entrada de bus serie universal (usb). Además, estos son los tipos de circuitos que más necesitan protección instantánea.

Cuando el voltaje es inferior a 5v, Los diodos tvs tradicionales en realidad no son una opción. Pero esto no significa que no tengas otra opción. Una nueva tecnología desarrollada conjuntamente por la Universidad de California en Berkeley y semtech (new Bury park, california) ofrece protección instantánea y ESG de hasta 2,8 V. puede elegir entre una serie de dispositivos tvs con condensadores adecuados, voltaje de corte y voltaje de abrazadera para cumplir con los requisitos de su propio sistema. Después de eso, también debemos considerar dónde debe colocarse el equipo en la placa y cómo cableado la placa de circuito.

La inducción parasitaria en la ruta de protección puede causar Sobretensión de alto voltaje y dañar el ic. Esto es especialmente cierto para los transeúntes de tiempo de rápido aumento, como la des. De acuerdo con la definición del iec1000 - 4 - 2, los instantes causados por la des alcanzarán su punto máximo en menos de un nanosegundo (ns). Según el cálculo de la inducción de rastreo de 20nh / pulgada, cuatro rastros de 1 pulgada del pulso 10a causarán un exceso de 50v.

Debe considerar todas las rutas de inducción posibles, incluyendo la ruta entre el circuito de tierra, el tvs y el circuito de protección, así como la ruta desde el conector hasta el dispositivo tvs. Además, el dispositivo tvs debe estar lo más cerca posible del conector para acoplar instantáneamente a otras trazas cercanas.

El tablero de red ethereum 10 / 100 es un subsistema que requiere protección instantánea. Los dispositivos utilizados en los conmutadores y enrutadores Ethernet están expuestos a los instantes de inducción de rayos de alta energía. El IC submicron profundo utilizado es extremadamente sensible al bloqueo de Sobretensión en el diseño. En un sistema típico, la interfaz de par trenzado utilizada en cada puerto consta de dos pares de señales diferentes, uno para el transmisor y otro para el receptor. La entrada del transmisor suele ser la más vulnerable a los daños. Habrá diferentes descargas fatales en el par de cables, que se acoplarán al IC de la red ether a través de condensadores de transformadores.

Cuando la frecuencia de la señal es muy alta (100 Mbit / s) y la tensión de alimentación es baja (generalmente 3,3 v), el dispositivo de protección debe tener una carga capacitiva muy baja y su tensión de Corte es mucho menor que la del 5v. Hay otro caso en el que la inducción parasitaria en la ruta de protección puede causar una gran Sobretensión de voltaje. Para maximizar la eficiencia, el cableado de la placa de circuito debe hacer que el camino entre el protector y el circuito protegido debe minimizarse, y la longitud del camino entre el conector RJ45 y el protector también debe minimizarse.

4. intercambio de calor / Plug and Play

Cada vez hay más sistemas diseñados para permitir la inserción y desconexión de placas o enchufes en cualquier momento mientras el sistema sigue encendido. estos enchufes o enchufes se insertarán o retirarán de los enchufes que llevan la señal, el cable de alimentación y el cable de tierra, con una alta probabilidad de que se produzcan transiciones. Además, el sistema puede ajustar dinámicamente su fuente de alimentación para adaptarse al repentino aumento o disminución de la carga de corriente.

Durante el proceso de carga, el teléfono móvil u otros dispositivos electrónicos portátiles se insertaron o desconectaron accidentalmente del sistema de carga. Esto también puede producir transiciones. Aquí, además de la protección instantánea, se necesita una gestión energética para adaptarse al repentino aumento o disminución de la carga actual.

La interfaz USB está diseñada para mejorar la interfaz serie de alta velocidad entre el sistema de escritorio y los dispositivos periféricos. Además, hay una línea de suministro de voltaje en la interfaz UB que se puede utilizar para suministrar energía a los periféricos conectados. Si no se inserta ninguna carga en el enchufe usb, significa que el enchufe Está abierto. La descarga de pulso ESG inducida por la electricidad estática humana en el enchufe se transmitirá a la placa de circuito, lo que puede dañar fácilmente el controlador usb.

Debe asegurarse de que en este bus de alta velocidad, tanto el cable de datos como el cable de alimentación estén protegidos. Además, aunque la gestión energética se ha escrito en la especificación usb, todavía no se ha proporcionado protección esg.

Los dispositivos tvs se pueden utilizar para proporcionar una protección adecuada de la des. La colocación de los componentes y la longitud de la ruta siguen siendo cuestiones importantes de diseño. Se debe consultar cuidadosamente la misma guía de diseño. Asegúrese de acortar el camino entre el tvs y la línea protegida y asegúrese de que el dispositivo tvs esté lo más cerca posible del conector del puerto.

De acuerdo con las necesidades de la especificación usb, se debe utilizar el interruptor de distribución de energía del Circuito de estado sólido para la gestión de energía. En los hosts de pc, proporcionan protección de corriente de cortocircuito e informes de errores para el controlador ic. En los periféricos usb, se utilizan para el cambio de puerto, la notificación de errores y el control de descenso de la pendiente de voltaje de alimentación.

5. distribución de la energía

Si comparas los cambios en la corriente de la pc con hace 10 años, su crecimiento es realmente impactante. Junto con el aumento sustancial de la frecuencia del reloj, PC y servidores se encuentran en un entorno di / DT muy alto. Por ejemplo, si l es de 2,5 ° H y c es igual a 4 * 1500 ° f, el transitorio en la carga es la magnitud del pico a pico de 200 MV y el tiempo de recuperación es de 50 microsegundos. Para complicar el problema, la CPU entra en modo de sueño y luego se despierta rápidamente. Los transeúntes producidos oscilan entre 20 y 30a por microsegundos, lo que se convierte en un dolor de cabeza para la gestión energética.

Desde el punto de vista del convertidor, el valor de di / DT afecta a la selección de los condensadores de salida y, más concretamente, a la resistencia de serie equivalente (esr) y a la inducción de serie equivalente (esl) de los condensadores. Los convertidores que funcionan a baja frecuencia requieren grandes condensadores para almacenar cargas eléctricas entre dos ciclos de trabajo, lo que requiere el uso de condensadores electroliticos. Aunque estos condensadores electroliticos tienen grandes condensadores, también tienen grandes ESR y esl, ambos contra las intenciones del diseñador. Además, los condensadores electroliticos son grandes y no son adecuados para la tecnología de montaje de superficie y el embalaje compacto.

Hay una alternativa que puede reducir los valores de ESR y esl, simplificar el proceso de producción y reducir el volumen real. El método es utilizar un inversor un poco más alto, que puede seleccionar Condensadores cerámicos en lugar de condensadores electroliticos, y obtener las ventajas anteriores. Al mismo tiempo, al adoptar una solución de convertidor polifásico, incluso puede compartir las necesidades de carga. Cada convertidor requiere menos condensadores de entrada, al tiempo que proporciona la misma capacidad total de corriente. Otra ventaja es que reduce la corriente de onda de entrada. En el esquema de conversión de una sola fase, la corriente de onda de entrada es igual a la mitad de la corriente de onda de salida. Por lo tanto, para el sistema 20a, la corriente de onda de entrada es de 10a. Sin embargo, para una solución de convertidor de cuatro fases, por ejemplo, la corriente de salida se distribuirá por igual entre los cuatro convertidores. Ahora cada fuente de alimentación es 5A y su corriente de onda de entrada es 2a. Esto permite el uso de condensadores de entrada más pequeños y baratos.

Dellcmputers (roundrock, texas) ha desarrollado un controlador discreto, polifásico de modulación de ancho de pulso (pwm) y un convertidor DC - DC inverso para su serie de computadoras y servidores de alta velocidad. Está diseñado para cumplir con los requisitos de gestión de energía / energía de emergencia de la CPU Pentium avanzada de intel. Desde entonces, semtech ha integrado el circuito a petición de dell. Después de la solución del controlador polifásico y del convertidor, debe prestar especial atención a los problemas de cableado de la placa de circuito. El interruptor de alta corriente a alta frecuencia afectará la diferencia de voltaje en el plano de tierra.

La parte de alta corriente del circuito debe ser cableado primero. Debe usar un plano de tierra o introducir una zona de plano de tierra aislada o semiaislada para limitar el acceso de la corriente de tierra a una zona específica. El circuito formado por condensadores de entrada y FETs de salida de conductores de lado alto y bajo contiene todos los interruptores instantáneos de alta corriente y rápidos. Las conexiones deben ser anchas o anchas, cortas o cortas para reducir la inducción del circuito. Esto reducirá la interferencia electromagnética (emi), reducirá la corriente inyectada en el suelo y minimizará el timbre de la fuente para obtener una señal de conmutación más confiable del Circuito de puerta.

La conexión entre el nudo de los dos FETs y los inductores de salida debe ser una vía ancha, al tiempo que es lo más corta posible. Los condensadores de salida deben estar lo más cerca posible de la carga. Este capacitor proporciona una corriente de carga instantánea rápida, por lo que el cable de conexión debe ser ancho y corto para minimizar la inducción y la resistencia.

Es mejor que el controlador se coloque en una zona tranquila del plano de tierra para evitar que la corriente de pulso en el capacitor de entrada y el circuito FETs fluya hacia esa zona. Los pines de referencia de tierra alta y baja deben volver a la tierra muy cerca del componente del amplificador de control. El suelo analógico de señal pequeña y el suelo digital deben conectarse al suelo de uno de los condensadores de salida. No se conecte a tierra en el circuito del condensadores de entrada / fets. El circuito de la resistencia de inducción de corriente debe mantenerse lo más corto posible.

6. trabajo inteligente

Aunque los ejemplos anteriores ilustran algunos métodos que pueden predecir y evitar ciertas trampas en sistemas de señales mixtas, no son exhaustivos. Cada sistema tiene sus propios desafíos, y cada diseñador tiene sus propios obstáculos únicos que cruzar. Ya sea que se trate de una protección más difícil o de una gestión energética más estricta, elegir el componente correcto es lo primero. hay una amplia gama de opciones para desafiar los dispositivos de protección de convertidores, controladores de convertidores y tvs. Colocarlos en la posición correcta en la placa de circuito mostrará diferencias en la gestión y protección de la energía. El cableado bien pensado y la configuración del plano de tierra son cuestiones clave en el tercer aspecto. Tvs para circuitos de baja tensión

Cuando el voltaje es inferior a 5v, el tvs de unión PNN tradicional en realidad no funciona en absoluto. Sin embargo, hay un semiconductor mejorado a través de diodos (epd) desarrollado por la Universidad de California en Berkeley y semtech.

A diferencia de la estructura PN tradicional de los diodos tvs de avalancha, el dispositivo EPD utiliza una estructura de cuatro capas n + p + P - N + más compleja. Utiliza el dopaje de luz en las capas p + y P - para evitar que los nudos n + p + sesgados en sentido inverso entren en un Estado de avalancha.

La estructura NPN fue elegida para reemplazar la estructura PNP porque tiene una mayor movilidad electrónica y características de compresión mejoradas. Al fabricar cuidadosamente la región de base p, los dispositivos obtenidos tienen excelentes características de fuga, compresión y capacitiva en un rango de voltaje de 2,8 V a 3,3 V.

7. pentium, apetito abierto

La especificación Pentium II de Intel requiere que la corriente aumente de 5a a 20a en 500 ns, con una tasa de conversión de 30 a por microsegundos. El controlador PWM polifásico semiteck sc1144 tiene una capacidad más fuerte de lo necesario para la tarea. Proporciona el control de hasta cuatro convertidores de corriente continua inversa a corriente continua para obtener la velocidad y precisión necesarias. El DAC incorporado de 5 bits permite programar la salida del voltaje de salida, de 1,8 a 2,05v, en incrementos de 50 mv, de 20 a 3,5v, en incrementos de 100 mv.

Esta técnica polifásico genera cuatro tensiones de salida precisas con un cambio de fase de 90 grados entre ellas. A continuación, se suman las cuatro salidas digitales de cambio de fase para obtener el voltaje de salida y la capacidad de corriente necesarios.

Cada convertidor funciona a 2mhz y los diseñadores pueden usar Condensadores cerámicos en lugar de condensadores electroliticos y obtener beneficios de tamaño pequeño, instalabilidad de superficie y ESR y ESL más Bajos.