Technique RF - Conception optimisée pour l'intégrité de l'alimentation des cartes PCB

1. Introduction

Avec l'augmentation progressive de la complexité de la conception de la carte PCB, l'analyse de l'intégrité du signal en plus de la réflexion, de la diaphonie et de l'EMI, une alimentation stable et fiable est devenue l'une des principales orientations de recherche des concepteurs. Surtout lorsque le nombre de commutateurs augmente et que la tension du cœur diminue, les fluctuations de l'alimentation ont tendance à avoir un effet fatal sur le système, d'où un nouveau terme proposé: Power Integrity, Pi (Power Integrity). Sur le marché international d'aujourd'hui, la conception de circuits intégrés est plus développée, mais la conception de l'intégrité de l'alimentation reste un maillon faible. Par conséquent, cet article présente la génération de problèmes d'intégrité de l'alimentation dans la carte PCB, analyse les facteurs qui affectent l'intégrité de l'alimentation, propose une méthode d'optimisation et une conception empirique pour résoudre le puzzle d'intégrité de l'alimentation de la carte PCB, a une forte valeur d'analyse théorique et d'application pratique de l'ingénierie.

Causes et analyse du bruit de puissance

L'origine du bruit de puissance a été analysée à l'aide d'un schéma de circuit de porte NAND. Le schéma électrique montre la structure d'une porte NAND à trois entrées. Comme une porte NAND est un dispositif numérique, elle fonctionne en commutant entre les niveaux "1" et "0". Avec l'amélioration continue de la technologie des circuits intégrés, les dispositifs numériques sont de plus en plus rapides à commuter, ce qui introduit plus d'éléments haute fréquence et l'inductance dans la boucle peut facilement provoquer des fluctuations de l'alimentation à haute fréquence. Comme le montre la figure 1, lorsque les entrées des portes non - et sont toutes à haute tension, les Triodes du circuit sont passantes, le circuit est momentanément court - circuité et l'alimentation charge le condensateur tout en circulant dans la ligne de masse. A ce moment, du fait des inductances parasites sur les lignes d'alimentation et de masse, on sait par la formule v = LDI / DT que cela va générer des fluctuations de tension sur les lignes d'alimentation et de masse, ainsi qu'un bruit de type I introduit par un front montant de niveau, comme représenté sur la Figure 2. Lorsque l'entrée de la porte NAND est à un niveau de courant bas, le condensateur se décharge à ce moment - là et un bruit de type I plus important sera généré sur la ligne de masse. À ce stade, l'alimentation n'a que des mutations de courant causées par un court - circuit instantané du circuit, car le condensateur n'a pas de charge, de sorte que les mutations de courant sont plus faibles que les fronts montants. Grâce à l'analyse d'un circuit de porte Nand, nous savons que la source de l'instabilité de l'alimentation réside principalement dans deux aspects: l'un est l'état de commutation à grande vitesse du dispositif, où le courant alternatif transitoire est trop important.

La seconde est l'inductance présente dans la boucle de courant. Ce que l'on appelle le problème d'intégrité de l'alimentation, c'est que dans un PCB à grande vitesse, lorsqu'un grand nombre de puces sont conductrices ou éteintes en même temps, un courant transitoire plus important est généré dans le circuit et, en raison de la présence d'une résistance inductive, des fluctuations de tension sont générées sur la ligne d'alimentation et la ligne de masse. Ayant compris l'essence du problème d'intégrité de l'alimentation, nous savons que pour résoudre le problème d'intégrité de l'alimentation, tout d'abord, pour les dispositifs à grande vitesse, nous ajoutons un condensateur de découplage pour éliminer sa composante de bruit à haute fréquence afin de réduire le temps transitoire du signal; Pour l'inductance présente dans la boucle, nous devons considérer la conception en couches de l'alimentation.

3, application des condensateurs de découplage

Les condensateurs de découplage jouent un rôle important dans la conception de PCB à grande vitesse et leur emplacement est également très important. En effet, lorsque l'alimentation alimente la charge pendant une courte période, les charges stockées dans le condensateur peuvent empêcher la chute de tension, par exemple, un mauvais placement du condensateur peut rendre la ligne trop impédante et affecter l'alimentation. Dans le même temps, le condensateur Peut filtrer le bruit à haute fréquence lors de la commutation à grande vitesse de l'appareil. Dans la conception de PCB à grande vitesse, nous ajoutons généralement des condensateurs de découplage séparément à la sortie d'alimentation et à l'entrée d'alimentation de la puce. La valeur de la capacité près de l'alimentation est généralement grande (par exemple 10 ° f). En effet, une alimentation en courant continu est couramment utilisée dans les PCB et la fréquence de résonance du condensateur peut être relativement faible pour filtrer le bruit de l'alimentation. Dans le même temps, une grande capacité peut garantir la stabilité de la sortie d'alimentation. Pour une puce connectée à une source d'alimentation en position de broche d'un condensateur de découplage, la valeur de sa capacité est généralement faible (par example 0,1°f), du fait que dans les puces à grande vitesse, la fréquence du bruit est généralement relativement élevée, ce qui nécessite une fréquence de résonance de la capacité de découplage augmentée plus élevée, c'est - à - dire une capacité de la capacité de découplage plus faible.

En ce qui concerne le placement des condensateurs de découplage, nous savons qu'une position inappropriée augmente l'impédance de la ligne, diminue sa fréquence de résonance et affecte l'alimentation. Pour les condensateurs de découplage et les inductances dans une puce ou une source d'alimentation, nous pouvons faire le calcul par la formule. L: longueur de ligne entre le condensateur et la puce; R: rayon de la ligne; D: distance entre la ligne d'alimentation et la masse. Nous savons donc que pour réduire les inductances l, l et d, il faut réduire la surface de boucle formée par le découplage du condensateur et de la puce, c'est - à - dire que le condensateur et la puce doivent être aussi proches que possible du dispositif à puce.

4. Conception de la boucle d'alimentation

Pour assurer l'intégrité de l'approvisionnement en électricité, nous savons qu'un bon réseau de distribution est essentiel. Tout d'abord, pour la conception de la ligne d'alimentation et de la ligne de terre, nous devons nous assurer que la largeur de la ligne est épaisse (par exemple, 40 mil, contre 10 mil pour une ligne de signal normale) afin de minimiser sa valeur d'impédance autant que possible. Comme les puces sont de plus en plus rapides, selon la règle des 5 / 5, nous utilisons de plus en plus de cartes multicouches alimentées par une couche d'alimentation dédiée et par un circuit de couche dédiée, réduisant ainsi l'inductance de la ligne.