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Lors de la conception de cartes PCB plus complexes, vous devez faire quelques compromis de conception. En raison de ces compromis, plusieurs facteurs peuvent influencer la conception du réseau de distribution de PCB.
Comment équilibrer la conception d'alimentation PCB
Lorsque le condensateur est monté sur le PCB, il y a une inductance de boucle supplémentaire, qui est liée à l'installation du condensateur. La valeur de l'inductance de boucle dépend de la conception. L'inductance de la boucle dépend de la largeur et de la longueur de la ligne allant du condensateur au trou, de la longueur de la ligne reliant le condensateur au plan d'alimentation / masse, de la distance entre les deux trous, du diamètre du trou, des plots du condensateur, etc. la figure 1 montre des graphiques de montage des différents condensateurs.
Points de conception pour réduire l'inductance du circuit de condensateur:
Le trou doit être aussi proche que possible du condensateur. Réduisez l'espacement des trous d'alimentation / de mise à la terre. Si possible, utilisez plusieurs paires de trous d'alimentation / de mise à la terre en parallèle. Par exemple, deux trous de polarité de courant opposée doivent être aussi proches que possible, tandis que les trous de même polarité de courant doivent être aussi éloignés que possible.
Connectez le trou à la broche Capacitive avec un fil court et large.
Placez le condensateur sur la surface du PCB (en haut et en bas) aussi près que possible de son plan d'alimentation / masse respectif. Cela réduit la distance entre les trous. Utilisez un électrolyte mince entre l'alimentation / la terre.
Viennent ensuite trois situations de conception différentes pour le montage du condensateur et la propagation de l'inductance. La figure 2 illustre l'introduction de l'inductance dans la boucle dans différentes conditions de conception.
Cas 1 - mauvaise conception
Les concepteurs ne se concentrent pas sur la conception des réseaux de distribution (PDN).
L'espacement des trous n'est pas optimisé.
La distance entre l'alimentation et le plan de masse n'est pas optimisée.
La distance de câble entre le trou et la broche du condensateur est longue.
Pour l'ensemble de la taille de l'inductance de boucle, l'inductance de boucle provient principalement des lignes disposées, car les lignes mal conçues sont cinq fois plus longues que dans les deux autres cas (bonne conception et très bonne conception). La distance de la base sur laquelle le condensateur est monté au plan proximal est également un facteur majeur de la taille de l'inductance de boucle. Comme cela n'est pas optimisé (10mil), le câblage a un impact très important sur la taille de l'inductance de la boucle entière. De plus, comme les concepteurs ont utilisé 10 mil de matériau diélectrique entre l'alimentation et la terre, un facteur secondaire dans l'inductance de boucle provient de l'inductance de propagation. Sans optimisation, la distance entre les trous n'est pas aussi importante que la longueur des trous. Plus le trou est long, plus l'effet du trou est grand.
Cas 2 - bonne conception
Les concepteurs se sont concentrés sur la conception de réseaux de distribution partielle (PDN).
L'espacement des trous est amélioré. La longueur du trou reste inchangée.
La distance entre l'alimentation et le sol a été améliorée.
La distance du fil du trou à la broche du condensateur est optimisée.
L'inductance du circuit du fil reste le principal contributeur à l'inductance du circuit dans son ensemble. Cependant, un circuit bien conçu a environ 2,7 fois plus d’inductance qu’un circuit mal conçu. Comme les concepteurs ont réduit l'épaisseur du diélectrique de 10 à 5 Mil, l'inductance de propagation a été réduite de moitié. En réduisant la distance entre les perforations, la force d'impact des perforations est légèrement améliorée.
Les designers attachent une grande importance au design du PDN.
L'espacement et la longueur des trous ont été améliorés.
La distance entre l'alimentation et le sol est également entièrement optimisée.
La distance du fil du trou à la broche du condensateur est optimisée.
Une très bonne conception a environ 7,65 fois plus d'inductance qu'une mauvaise conception. Ceci est réalisé en réduisant l'épaisseur sur le PCB depuis la surface inférieure du condensateur monté jusqu'à la couche presque plane en raison de la réduction de la longueur du câblage. Du fait que les concepteurs ont optimisé l'épaisseur de la couche d'électrolyte entre la source et la terre, l'inductance de propagation est fortement réduite. L'inductance de boucle à travers les trous est également considérablement améliorée en raison de l'espacement des trous et de la longueur des trous fortement réduits. Une très bonne conception réduit l'inductance de boucle totale de l'un des sept facteurs principaux par rapport à une mauvaise conception.
Sur le PCB, en installant le condensateur, une inductance supplémentaire est introduite à travers l'anneau de trou, réduisant ainsi la fréquence de résonance du condensateur. Cela doit être pris en compte lors de la conception des réseaux de distribution (PDN). Réduire l'inductance de boucle est un moyen évident de réduire l'impédance lors de la conception à haute fréquence.
Pour une alimentation donnée, le PCB produit par l'outil PDN montre une très bonne apparence à des fréquences de coupure plus élevées qu'une très bonne conception ou une mauvaise conception. Cela peut être contraire au résultat attendu, car le découplage à une fréquence de coupure supérieure nécessite plus de capacité que le découplage à une fréquence de coupure inférieure. Avec une bonne conception, une fréquence de coupure plus élevée signifie que les fréquences plus élevées peuvent être découplées. Les condensateurs placés sur le PCB ont un effet de découplage sur le bruit jusqu'à haute fréquence.
En cas de mauvaise conception, les PCB dépassant la fréquence de coupure inférieure ne peuvent pas être découplés. Tout ajout de condensateur supplémentaire, c'est - à - dire l'ajout d'un condensateur de découplage au - delà de la fréquence de coupure, ne fait qu'augmenter le coût de la Bom et n'a aucun effet sur l'effet de découplage. Par rapport à une très bonne conception, la conception d'un réseau de distribution est plus sensible au bruit à des fréquences spécifiques en cas de mauvaise conception. A titre d'exemple, supposons que l'épaisseur totale du PCB à 20 couches soit de 115 mils. Le niveau de puissance est au troisième étage. L'épaisseur de la couche (où se trouve le FPGA) à la couche 3 est de 12 mils. L'épaisseur du bas vers la troisième couche est donc de 103 mils. Après 3mil, l'alimentation et la formation sont séparées par un diélectrique. La taille de l'inductance des trous BGA pour une telle piste est de 5 NH (5 paires de trous pour une telle piste de puissance). Pour faire face aux zones d'agencement serré de cette couche, les condensateurs de découplage qui lui sont associés sont montés au niveau de la couche inférieure. Ce compromis conduit à des valeurs d'inductance très élevées pour le montage du condensateur, du fait de la perforation longue d'un tel dispositif. Suffisamment optimisée, l'inductance de montage du condensateur d'encapsulation 0402 est de 2,3 NH en bas et de 0,57 NH au niveau du même condensateur dans la couche.
Pour améliorer l'effet PDN de la piste, il est possible de placer des condensateurs haute fréquence dans la couche tout en conservant les condensateurs de Moyenne fréquence et de grande capacité dans la position d'origine de la couche inférieure. Cette conception de circuit est une solution de coupure pour PDN, car les condensateurs haute fréquence sont des condensateurs dont la réponse est inférieure à la fréquence de coupure. L'influence de la capacité dépend de l'inductance de boucle totale (inductance de montage du condensateur + inductance de propagation + inductance de trou BGA) et du FPGA. Vous pouvez placer des condensateurs haute fréquence dans cette couche et les éloigner légèrement du FPGA. L'inductance de propagation du condensateur placé en dehors de la zone de percée du FPGA est de 0,2 NH. Cette nouvelle méthode de placement est avantageuse par rapport à la méthode de placement de bas niveau originale, car l'inductance totale de boucle (0,57 NH + 0,2 NH + 0,05 NH = 0,82 NH) est inférieure à l'inductance totale lorsqu'elle est placée sous la couche inférieure.
L'inductance de propagation de la carte PCB dépend de la conception et elle est présente uniformément dans le milieu entre l'alimentation et le plan de masse. Une épaisseur de 3 Mil ou moins est conçue pour réduire l'inductance de propagation plane. Vous pouvez suivre ces directives de conception pour améliorer les performances de votre PDN. Voici quelques guides de conception d'importance séquentielle, et les guides de conception couche par couche sont importants.
