Conception électronique - Guide de conception du système d'alimentation PCB

De nos jours, il est difficile de concevoir un système électronique à grande vitesse sans une compréhension approfondie des caractéristiques de la puce, de la structure de l'emballage et du système d'alimentation de la carte PCB. En effet, pour répondre à des tensions d'alimentation plus faibles, à des inversions de signal plus rapides, à des niveaux d'intégration plus élevés et à de nombreux besoins de plus en plus difficiles, de nombreux processus de conception de produits à l'avant - garde des entreprises de conception électronique ont investi beaucoup d'argent, de main - d'œuvre et de matériel dans l'analyse des systèmes électriques afin d'assurer l'intégrité de l'alimentation et du signal.

L'analyse et la conception de systèmes d'alimentation deviennent de plus en plus importantes dans le domaine de la conception de circuits à grande vitesse, en particulier dans les industries de l'informatique, des semi - conducteurs, des communications, des réseaux et de l'électronique grand public. La tension d'alimentation des circuits intégrés continuera de baisser à mesure que la technologie des circuits intégrés à très grande échelle diminuera encore. Comme de plus en plus de fabricants passent de 130nm à 90nm, nous pouvons nous attendre à ce que la tension d'alimentation tombe à 1,2V ou même moins, tandis que le courant augmentera considérablement. Du point de vue de la réduction de tension IR DC au contrôle des fluctuations de tension dynamique AC, cette tendance au développement pose de grands défis pour la conception des systèmes d'alimentation en raison de la gamme de bruit de plus en plus réduite autorisée.

Aperçu de la conception du système d'alimentation PCB

Typiquement en analyse AC, l'impédance d'entrée entre la source et la terre est une observation importante pour mesurer les caractéristiques du système d'alimentation. La détermination de cette observation en analyse en courant continu évolue vers le calcul de la chute de pression infrarouge. Que ce soit en analyse DC ou AC, les facteurs qui affectent les caractéristiques du système d'alimentation sont: la couche de PCB, la forme du plan de la couche de carte d'alimentation, la disposition des composants, la distribution des trous et des broches, etc.

La notion d'impédance d'entrée entre l'alimentation et la masse peut être utilisée pour la simulation et l'analyse des facteurs mentionnés ci - dessus. Par example, une application très large de l'impédance d'entrée d'alimentation à la terre est l'évaluation de la position du condensateur de couplage sur la carte. En plaçant un certain nombre de condensateurs de découplage sur la plaque, il est possible d'inhiber la résonance caractéristique de la plaque elle - même, réduisant ainsi la génération de bruit, mais aussi de réduire le rayonnement de bord de la plaque pour atténuer les problèmes de compatibilité électromagnétique. Afin d'améliorer la fiabilité des systèmes d'alimentation et de dégrader les coûts de fabrication des systèmes, les ingénieurs en conception de systèmes doivent souvent réfléchir à la manière de choisir économiquement et efficacement la disposition du système pour les condensateurs de découplage.

Les systèmes d'alimentation dans les systèmes de circuits à grande vitesse peuvent être divisés en trois sous - systèmes physiques: puce, structure d'encapsulation de circuit intégré et PCB. Le réseau électrique sur la puce est constitué d'une alternance de couches métalliques. Chaque couche est composée de bandes métalliques dans la direction X ou y, formant un réseau d'alimentation ou de mise à la terre. Les trous relient les bandes métalliques des différentes couches.

Pour certaines puces hautes performances, les alimentations Core et io intègrent de nombreuses unités de découplage. Les structures d'encapsulation de circuits intégrés, tout comme les mini - PCB, ont plusieurs couches d'alimentation ou de substrat de forme complexe. Sur la face supérieure de la structure d'encapsulation, l'emplacement de montage du condensateur de découplage est généralement réservé. Les PCB contiennent généralement une grande alimentation continue et une carte de base, ainsi que des éléments de condensateur de découplage discrets de taille et des modules de redresseur de puissance (vrm). Des lignes de jonction, des billes C4 et des billes de soudure relient la puce, le boîtier et le PCB ensemble.

L'ensemble du système d'alimentation doit être tel que les composants du circuit intégré fournissent une tension stable dans la plage normale. Cependant, les courants de commutation et les effets parasites à haute fréquence dans ces systèmes d'alimentation introduisent toujours un bruit de tension.

En effet, cela révèle également un autre fait très important, à savoir que la gamme de fréquences des condensateurs discrets de découplage placés sur le PCB ne peut atteindre que quelques centaines de mégahertz. Quelle que soit la fréquence, l'inductance parasite de chaque condensateur de découplage discret et l'inductance de boucle (condensateur à puce) de la carte et des Vias réduiront considérablement l'effet de découplage. Il n'est pas possible de réduire encore l'impédance d'entrée du système d'alimentation simplement en plaçant un condensateur de découplage discret sur le PCB. De quelques centaines de mégahertz à des gammes de fréquences plus élevées, les capacités inter - cartes du système d'alimentation de la structure d'encapsulation, ainsi que les capacités discrètes de découplage placées sur la structure d'encapsulation, joueront un rôle. Dans la gamme de fréquences GHz, les condensateurs entre les réseaux électriques dans la puce et les condensateurs de découplage dans la puce sont des solutions de découplage.

Dans l'exemple illustré, la ligne rouge est l'impédance d'entrée après avoir placé quelques condensateurs discrets de découplage sur le PCB. Quatre pics de résonance apparaissent à 600 MHz à 700 MHz. Après prise en compte de la structure d'encapsulation, l'inductance de la structure d'encapsulation supplémentaire déplace le pic de résonance vers 450 MHz, comme indiqué par la Ligne bleue. Après l'inclusion du système d'alimentation de la puce, le condensateur de découplage de la puce élimine ces pics de résonance haute fréquence, mais en même temps introduit un pic de résonance très faible de 30 MHz, comme indiqué par la Ligne verte. Cette résonance de 30 MHz sera représentée dans le domaine temporel comme un creux de tension dans l'enveloppe de fréquence intermédiaire du signal de retournement haute fréquence.