Technologie PCB - Conception de l'intégrité de l'alimentation en PCB haute vitesse

I. Introduction

Avec l'augmentation progressive de la complexité de la conception de PCB, en plus de la réflexion, de la diaphonie et de l'analyse EMI de l'intégrité du signal, une alimentation stable et fiable est également 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, ou Pi (Power Integrity). Sur le marché international d'aujourd'hui, la conception de circuits intégrés est relativement 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 les cartes PCB, analyse les facteurs qui affectent l'intégrité de l'alimentation et propose une approche optimisée et une conception empirique pour résoudre les problèmes d'intégrité de l'alimentation des cartes PCB. Il a une forte valeur pour l'analyse théorique et l'application pratique de l'ingénierie. Valeur

2. Causes et analyse du bruit d'alimentation

Nous avons analysé les causes de la génération de bruit d'alimentation par le biais d'un schéma NAND. Le schéma de la figure 1 est un schéma de structure d'une porte NAND à trois entrées. Parce que la porte NAND est un appareil numérique, il fonctionne en commutant entre les niveaux "1" et "0". Avec les progrès continus de la technologie des circuits intégrés, les dispositifs numériques sont commutés de plus en plus rapidement, ce qui introduit plus d'éléments haute fréquence, tandis que l'inductance dans la boucle peut facilement provoquer des fluctuations de puissance à haute fréquence. Comme le montre la figure 1, lorsque les entrées de la porte NAND sont toutes au niveau haut, les transistors du circuit sont passants, le circuit est momentanément court - circuité et l'alimentation charge le condensateur en même temps qu'elle circule dans la ligne de masse. A ce moment, grâce aux 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, telles que les fronts montants de niveau illustrés sur la figure 2. Le bruit des îles. Lorsque l'entrée de la porte non - et est au niveau bas, le condensateur se décharge à ce moment - là, ce qui créera un bruit d'îlot I important au sol; Alors que l'alimentation à ce moment - là n'a que des variations de courant brusques causées par un court - circuit instantané du circuit, car le condensateur n'a pas de charge. La variation soudaine du courant est inférieure au front montant. Grâce à l'analyse du circuit de porte Nand, nous savons que la cause sous - jacente de l'instabilité de l'alimentation est principalement double: premièrement, le courant alternatif transitoire est trop important lors de la commutation à grande vitesse du dispositif;

La seconde est l'inductance présente sur la boucle de courant. Ce que l'on appelle le problème d'intégrité de l'alimentation à la terre, c'est que dans un PCB à grande vitesse, lorsqu'un grand nombre de puces conduisent ou s'éteignent simultanément, un courant transitoire plus important est généré dans le circuit. Dans le même temps, il y aura des fluctuations de tension dans les deux en raison de la présence d'inductance et de résistance sur les lignes électriques et les lignes de terre. Ayant compris la nature du problème d'intégrité de puissance, nous savons que pour résoudre l'intégrité de puissance, tout d'abord, pour les dispositifs à grande vitesse, nous ajoutons des condensateurs de découplage pour éliminer leur composante de bruit à haute fréquence, réduisant ainsi le temps de transition du signal; Pour l'inductance présente dans la boucle, nous devons considérer la conception en couches de l'alimentation.

Troisièmement, l'application des condensateurs de découplage

Dans la conception de PCB à grande vitesse, les condensateurs de découplage jouent un rôle important et leur emplacement est également très important. En effet, lorsque l'alimentation alimente une charge pendant une courte période, les charges stockées dans le condensateur peuvent empêcher la chute de tension. Si le condensateur est placé dans un endroit inapproprié, l'impédance de la ligne peut être excessive 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 notre conception de PCB haute vitesse, nous ajoutons généralement des condensateurs de découplage à la sortie de l'alimentation et à l'entrée d'alimentation de la puce. La valeur de la capacité près de l'extrémité d'alimentation est généralement grande (par exemple 10 ° f). C'est parce que nous utilisons généralement pour filtrer le bruit d'alimentation, la fréquence de résonance de l'alimentation DC peut être relativement faible; Dans le même temps, une grande capacité peut garantir la stabilité de la sortie d'alimentation. Pour un condensateur de découplage ajouté sur une broche de puce connectée à une source d'alimentation, sa valeur Capacitive est généralement faible (par example 0,1°f), car dans les puces à grande vitesse, la fréquence du bruit est généralement plus élevée, ce qui nécessite l'ajout d'un découplage, la fréquence de résonance du condensateur doit être plus élevée, c'est - à - dire que la capacité du condensateur de découplage doit être plus faible.

En ce qui concerne le placement des condensateurs de découplage, nous savons qu'un placement inapproprié 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 alimentation, nous pouvons utiliser la formule suivante:

Dans la formule, L: longueur de ligne entre le condensateur et la puce; R: rayon de la ligne; D: distance entre la ligne électrique et le sol;

On sait donc que pour diminuer l'inductance l, il faut diminuer l et d, c'est - à - dire réduire la surface de boucle formée par le condensateur de découplage et la puce, c'est - à - dire exiger que le condensateur et la puce soient le plus proches possible du dispositif à puce.

Quatrièmement, la conception du circuit d'alimentation

Pour assurer l’intégrité de l’électricité, nous savons qu’un bon réseau de distribution est indispensable. Tout d'abord, pour la conception de la ligne d'alimentation et de la ligne de masse, nous devons nous assurer que la largeur de la ligne est plus épaisse (par exemple, 40 mil pour la largeur et 10 mil pour une ligne de signal normale) afin de réduire autant que possible la valeur de l'impédance. Comme la vitesse de la puce est de plus en plus élevée, selon la règle 5 / 5, nous utilisons de plus en plus de cartes multicouches qui sont alimentées par une couche d'alimentation dédiée et une couche de terre dédiée formant une boucle, réduisant ainsi l'inductance du circuit.