Technologie PCB - Guide de conception de PCB haute vitesse II: éviter les pièges de conception des systèmes à signaux mixtes

Résumé: pour utiliser avec succès les SOC actuels, les concepteurs au niveau de la carte et du système doivent comprendre comment placer au mieux les composants, mettre en page les traces et utiliser les composants de protection.

Ils sont appelés téléphones cellulaires numériques, mais ils contiennent plus de fonctionnalités analogiques que les téléphones cellulaires analogiques précédents. En effet, tout système qui a besoin de traiter des valeurs d'état continues telles que la parole, l'image, la température, la pression, etc., aura sa fonction analogique, même si le mot numérique apparaît dans le nom. Les PC multimédia d'aujourd'hui ne font pas exception. Ils disposent d'entrées et de sorties vocales et vidéo, d'une surveillance d'urgence de la température de l'unité centrale de chauffage et d'un modem haute performance. Ces systèmes sont également des éléments de la liste des fonctions de signaux mixtes. De plus en plus aussi.

La tendance des deux systèmes pose de nouveaux défis à ceux qui conçoivent des véhicules hybrides. Le volume et le poids des appareils portables de communication et de calcul continuent de diminuer, mais leurs fonctions continuent d'augmenter. Les systèmes de bureau continuent d'augmenter la capacité du processeur central et la vitesse des périphériques de communication. Il est certain qu'il est assez difficile d'éviter les sonneries, les erreurs causées par le bruit et le rebond du potentiel de la terre tout en concevant des cartes de circuits numériques modernes. Cependant, le problème devient encore plus grave lorsque vous ajoutez ces lignes de signal analogiques sensibles au bruit à proximité des lignes de données numériques à excitation carrée.

Au niveau des puces, les SOC (systèmes sur puce) actuels nécessitent une expertise en circuits logiques, en circuits analogiques et en conception thermodynamique. Pour utiliser ces ci avec succès, les concepteurs au niveau de la carte et du système doivent comprendre comment placer au mieux les composants, les traces de câblage et utiliser les composants de protection.

Cet article décrit les pièges courants dans la conception actuelle des systèmes à signaux mixtes et fournit quelques lignes directrices pour les éliminer ou les éliminer. Cependant, avant de discuter de questions spécifiques et de faire des recommandations, il serait utile de comprendre en détail comment les deux tendances de la miniaturisation et de la grande vitesse de la conception des systèmes influent sur ces questions.

1. La tendance à la « grande vitesse »

En comparant les spécifications du PC de milieu de gamme de 1999 à celles d'il y a cinq ans, la vitesse de son processeur central a augmenté d'environ un ordre de grandeur et le courant consommé par le CPU a augmenté d'environ plusieurs ordres de grandeur. La partie "Di / DT" de la relation v = l (di / DT) s'améliore considérablement lorsque vous combinez des vitesses élevées et des courants importants. En effet, une ligne de terre d'un demi - pouce de long dans une carte peut induire une tension supérieure à 1 volt sur elle. Pour un convertisseur, la ligne de référence du potentiel de terre induit une tension, ce qui peut entraîner l'arrêt du fonctionnement.

Pour atteindre ces vitesses plus élevées, les ci sont conçus et fabriqués pour avoir des dimensions submicroniques profondes (par exemple 0,35 µm). Bien que cela réduise les dimensions géométriques et entraîne des performances plus rapides, cela rend également ces appareils plus susceptibles de provoquer des verrous et des dommages causés par des transitoires. De plus, ces appareils nécessitent également une gestion de l'énergie plus rigoureuse pour respecter des plages de tensions admissibles de plus en plus strictes.

La carte réseau Ethernet (NIC) 10 / 100 actuelle en est un bon exemple. La puce 10Base - t originale est un dispositif CMOS de grande taille qui est relativement insensible aux dommages causés par les surtensions. Cependant, la nouvelle puce utilise une largeur de ligne de 0,35 Isla ¼ M, ce qui est très sensible au verrouillage et aux pannes causées par les transitoires causés par l'énergie électrique et la foudre.

Les serveurs modernes avec une architecture SMP (Symmetric multiprocesseur Capability) et les CPU fonctionnant à des fréquences de 500 MHz ou plus sont de bons exemples des défis de la distribution d'énergie. Vous ne pouvez pas simplement construire une alimentation 5V et câbler le bus correspondant. La commutation à 500 MHz avec des courants allant jusqu'à 20 a ou 30 a nécessite en fait un convertisseur indépendant pour chaque point d'utilisation, plus une source de tension principale plus importante pour tous ces convertisseurs.

Cette tendance nécessite une fonctionnalité de branchement à chaud, ce qui signifie que vous devez être en mesure d'insérer ou de retirer une carte dans votre système actuel. C'est aussi pour prédire qu'il y aura des transitoires. De cette façon, la carte mère insérée et la carte mère doivent être correctement protégées.

Les tendances à la miniaturisation et à la grande vitesse ont toutes leurs propres problèmes. Par exemple, la distribution d'énergie à courant élevé n'est pas un gros problème pour les petits appareils portables et portables. Prolonger la durée de vie de la batterie ne sera pas un problème pour les ordinateurs de bureau et les serveurs. Cependant, les dommages causés par le verrouillage et les transitoires deviennent un problème dans les deux domaines.

2. La tendance à la « miniaturisation »

Par rapport au produit d'il y a cinq ans, les puces de téléphone portable de 1999 étaient beaucoup moins nombreuses, avec un poids et un volume considérablement réduits et une durée de vie de la batterie considérablement plus longue. Dans ce processus, le facteur principal est le grand progrès des solutions IC à signaux mixtes. Cependant, à mesure que la géométrie de la puce diminue et que l'espacement du câblage sur la carte se rapproche, les lois de la physique commencent à se manifester.

Les traces parallèles se rapprochent, créant un couplage capacitif parasite de plus en plus important, qui n'est qu'une conséquence inversement proportionnelle au carré de la distance. Il n'y avait que peu de traces spatiales dans le passé, et beaucoup sont maintenant inclus. Ainsi, même un couplage capacitif entre pistes non adjacentes pose problème.

Les téléphones cellulaires sont déterminés par leur nature et sont des appareils que les gens détiennent et utilisent. Par temps froid, vous marchez sur le tapis, puis prenez votre téléphone et « crépitez» – cela envoie des impulsions de décharge électrostatique haute tension (ESD) à l’appareil. Sans protection ESD appropriée, un ou plusieurs IC peuvent être endommagés. Cependant, l'ajout de composants externes pour éviter les dommages ESD irait à l'encontre de la tendance à la miniaturisation.

Un autre problème est la gestion de l'énergie. Les utilisateurs de téléphones portables veulent que plus l'intervalle entre les deux charges de la batterie soit long, mieux c'est. Cela signifie que le convertisseur DC vers DC doit être très efficace. La technologie de commutation est sa réponse, mais dans ce cas, le convertisseur devient également sa propre source potentielle de bruit. Les convertisseurs doivent donc être soigneusement sélectionnés, placés et interconnectés. En outre, comme le volume est un facteur non négligeable, il convient de choisir le type de composant qui peut utiliser des composants passifs de dimensions physiques minimales. Si vous utilisez un régulateur linéaire, vous devez choisir un type de chute de tension ultra - faible capable de maintenir la sortie à la tension de batterie la plus basse. Cela permet à la batterie de se décharger autant que possible avant de ne plus fournir suffisamment de puissance.

3. Verrouillage et transitoire

Les transitoires allant de la largeur de ligne aux ci submicroniques profonds aggravent la sensibilité aux conditions de surtension, ce qui signifie que vous devez protéger ces appareils plus intelligemment sans compromettre leurs performances.

Dans l'entrée de protection, tout élément de protection doit se comporter en circuit Haute impédance en fonctionnement normal. Par exemple, si vous voulez ajouter un petit effet à un signal d'entrée normal, il doit être chargé avec une charge Capacitive aussi petite que possible. Cependant, au moment de la surtension, le même dispositif doit devenir le chemin principal de l'énergie transitoire, l'éloignant de l'entrée du dispositif protégé. En outre, la tension de résistance du dispositif de protection doit être supérieure à la tension maximale admissible sur les broches qu'il protège. De même, sa tension de clampage doit être suffisamment faible pour éviter d'endommager l'appareil protégé. En effet, en régime transitoire, la tension sur l'entrée sera la tension de clampage du dispositif de protection.

Auparavant, les diodes de suppression de tension transitoire (TVS) bloquaient efficacement les transitoires sur les cartes de circuit imprimé. Les diodes traditionnelles (TVS) sont des dispositifs à jonction PN à l'état solide qui fonctionnent bien à des tensions aussi basses que 5 v. Ils ont un temps de réponse rapide, une faible tension de clampage, une capacité de surtension élevée, toutes les caractéristiques requises. Cependant, le problème avec une diode TVS traditionnelle est qu'elle soulève la tête si elle est inférieure à 5V. Ici, la technique d'avalanche qu'ils utilisent est un obstacle. Pour atteindre une tension de coupure inférieure à 5 V, un dopage élevé (1018 / CM - 3 ou plus) est nécessaire. Cela entraîne à son tour une capacité et un courant de fuite plus élevés, qui peuvent tous deux nuire aux performances élevées. Les diodes TVS classiques ont une capacité dépendante de la tension qui augmente avec la diminution de la tension. Par exemple, à 5 V, une diode de protection ESD typique aura une capacité de jonction de 400 PF. On peut imaginer ce qui se passerait si une telle charge Capacitive était appliquée à un noeud d'entrée d'un émetteur ou d'un récepteur 100base - tethernet, ou à une entrée de bus série universel (USB). De plus, ce sont précisément les types de circuits qui nécessitent le plus de protection transitoire.

Pour des tensions inférieures à 5V, les diodes TVS classiques ne sont pas vraiment une option. Mais cela ne signifie pas que vous n'avez pas le choix. Une nouvelle technologie développée conjointement par UC Berkeley et semtech (Newbury Park, Californie) offre une protection transitoire et ESD aussi faible que 2,8 v. Vous pouvez choisir l'un d'une gamme d'appareils TVS avec la capacité appropriée, la tension de coupure et la tension de verrouillage pour répondre aux exigences de votre propre système. Après cela, nous devons également considérer où l'appareil doit être placé sur la carte et comment câbler la carte.

Une inductance parasite dans le chemin de protection peut provoquer une surtension élevée et endommager le ci. C'est notamment le cas pour les transitoires de temps de montée rapide, par example ESD. Selon la définition de iec1000 - 4 - 2, les transitoires causés par ESD culmineront en moins de 1 nanoseconde (NS). Calculé à partir d'une inductance de trace de 20 NH / pouce, quatre traces de 1 pouce pour une impulsion de 10 a provoqueraient un dépassement de 50 v.

Vous devez prendre en compte tous les chemins inductifs possibles, y compris la boucle de terre, le chemin entre le TVS et le circuit de protection, et le chemin du connecteur au périphérique TVS. En outre, l'équipement TVS doit être placé le plus près possible du connecteur pour coupler les transitoires à d'autres traces à proximité.

Les cartes Ethernet 10 / 100 sont des sous - systèmes nécessitant une protection transitoire. Les appareils utilisés dans les commutateurs et les routeurs Ethernet sont exposés à des transitoires induits par la foudre à haute énergie. Le ci submicronique profond utilisé est extrêmement sensible au verrouillage de surtension dans la conception. Dans un système typique, l'interface à Paire torsadée utilisée par chaque port est composée de deux paires de signaux distinctes, l'une pour l'émetteur et l'autre pour le récepteur. Les entrées d'émetteur sont généralement les plus vulnérables aux dommages. Il y aura différentes décharges mortelles dans la paire de lignes et il sera couplé capacitivement au réseau Ethernet IC via un transformateur.

Dans le cas où la fréquence du signal est très élevée (100 Mbit / s) alors que la tension d'alimentation est faible (typiquement 3,3 v), le dispositif de protection doit avoir une charge Capacitive très faible et sa tension de coupure est très inférieure à 5 v. Il existe un autre cas dans lequel une inductance parasite dans le chemin de protection provoque une surtension importante. Pour maximiser l'efficacité, le câblage de la carte doit être tel que le chemin entre le protecteur et le circuit protégé doit être minimisé, tout comme la longueur du chemin entre le connecteur rj45 et le protecteur.

4. Échange de chaleur / Plug and play

De plus en plus de systèmes sont conçus pour permettre l'insertion et le débranchement de fiches ou de fiches à tout moment, alors que le système est toujours sous tension. Ces fiches ou fiches seront insérées ou débranchées dans des prises qui transportent des signaux, des lignes d'alimentation et des lignes de masse, avec une forte probabilité de transitoires. En outre, le système peut ajuster dynamiquement son alimentation en fonction de l'augmentation ou de la diminution soudaine de la charge de courant.

Pendant le processus de charge, un téléphone portable ou un autre appareil électronique portable est accidentellement branché ou débranché du système de charge. Cela crée également des transitoires. Ici, en plus de la protection transitoire, une gestion de l'énergie est nécessaire pour s'adapter à une augmentation ou une diminution soudaine de la charge en courant.

L'interface USB est conçue pour améliorer l'interface série haute vitesse entre les systèmes de bureau et les périphériques. De plus, il y a une ligne d'alimentation en tension sur l'interface UB qui peut être utilisée pour alimenter les périphériques connectés. Si aucune charge n'est insérée dans la prise USB, cela signifie que la prise est en circuit ouvert. La décharge impulsionnelle ESD induite par l'électricité statique du corps sur la prise peut être conductrice sur la carte et endommager facilement le Contrôleur USB.

Vous devez vous assurer que dans ce bus à grande vitesse, les lignes de données et les lignes d'alimentation sont protégées. De plus, bien que la gestion de l'énergie soit inscrite dans la spécification USB, la protection ESD n'est pas encore disponible.

Les unités TVS peuvent être utilisées pour fournir une protection ESD appropriée. Le placement des composants et la longueur des chemins restent des questions de conception importantes. Le même Guide de mise en page doit être soigneusement consulté. Assurez - vous de raccourcir le chemin entre le TVS et la ligne protégée et assurez - vous que le périphérique TVS est aussi proche que possible du connecteur du port.

Selon les besoins de la spécification USB, la gestion de l'énergie doit être effectuée à l'aide d'un commutateur de distribution d'énergie de circuit à l'état solide. Dans les hôtes PC, ils fournissent une protection contre les courants de court - circuit et des rapports d'erreur pour le Contrôleur IC. Dans les périphériques USB, ils sont utilisés pour la commutation de ports, les rapports d'erreurs et le contrôle de la chute de la rampe de tension d'alimentation.

5. Distribution d’énergie

Si vous comparez le changement dans la quantité de courant PC à il y a 10 ans, l'ampleur de sa croissance est vraiment choquante. Couplé à une augmentation considérable de la fréquence d'horloge, le PC et le serveur sont dans un environnement di / DT très élevé. Par example, si l vaut 2,5°h et c vaut 4 * 1500°f, le transitoire sur la charge est de l'ordre de 200 MV crête à crête avec un temps de récupération de 50 microsecondes. Pour compliquer encore le problème, le CPU passe en mode veille, puis se réveille rapidement. Les transitoires qui en résultent sont de l'ordre de 20 à 30 a par microseconde, ce qui devient un mal de tête pour la gestion de l'énergie.

Du point de vue du convertisseur, la valeur de di / DT influence le choix du condensateur de sortie et plus particulièrement la résistance série équivalente (ESR) et l'Inductance série équivalente (ESL) du condensateur. Un convertisseur fonctionnant à basse fréquence nécessite une capacité importante pour stocker les charges entre deux périodes de fonctionnement, ce qui nécessite l'utilisation de condensateurs électrolytiques. Bien que ces condensateurs électrolytiques aient de grandes capacités, ils ont également de grandes esr et ESL, qui vont à l'encontre des intentions des concepteurs. En outre, les condensateurs électrolytiques sont volumineux et ne conviennent pas aux techniques de montage en surface et aux boîtiers compacts.

Il existe une alternative pour réduire les valeurs esr et ESL, simplifier le processus de production et réduire le volume réel. En utilisant un convertisseur de fréquence légèrement supérieur, on peut choisir un condensateur céramique au lieu d'un condensateur électrolytique et obtenir les avantages mentionnés ci - dessus. Dans le même temps, en adoptant une solution de convertisseur polyphasé, vous pouvez même partager vos besoins en charge. Chaque convertisseur nécessite moins de capacité d'entrée tout en fournissant la même capacité de courant totale. Un autre avantage est qu'il réduit le courant ondulé d'entrée. Dans un schéma de conversion monophasé, le courant d'ondulation d'entrée est égal à la moitié du courant d'ondulation de sortie. Ainsi, pour un système 20A, le courant d'ondulation d'entrée est de 10A. Cependant, par example pour une solution de convertisseur à quatre phases, ce courant de sortie sera réparti également entre les quatre convertisseurs. Maintenant, chaque alimentation est 5A et leur courant d'ondulation d'entrée est 2a. Cela permet l'utilisation de condensateurs d'entrée plus petits et moins chers.

Dellcomputers (roundrock, Texas) a développé un contrôleur de modulation de largeur d'impulsion (PWM) polyphasé discret et un convertisseur DC - DC inversé pour sa gamme d'ordinateurs et de serveurs haute vitesse. Il a été conçu pour répondre aux exigences de gestion de l'énergie / de l'alimentation d'urgence des processeurs pentiumcpu avancés d'Intel. Depuis, semtech a intégré ce circuit à la demande de Dell. Après le Contrôleur polyphasé et la solution de convertisseur, vous devez accorder une attention particulière aux problèmes de câblage de la carte. Un interrupteur à courant élevé à haute fréquence affectera la différence de tension dans le plan de masse.

La partie à courant élevé du circuit doit être câblée en premier. Vous devez soit utiliser un plan de masse, soit introduire une zone de plan de masse isolée ou semi - isolée pour limiter le courant de terre dans une zone spécifique. La boucle formée par le condensateur d'entrée et les sorties de commande FET Côté haut et côté bas contient tous les interrupteurs transitoires rapides à courant élevé. La connexion doit être large ou large, courte ou courte pour réduire l'inductance de boucle. Cela réduira les interférences électromagnétiques (EMI), réduira le courant injecté dans le sol et minimisera les sonneries de source pour un signal de commutation de circuit de grille plus fiable.

La connexion entre la jonction des deux FET et l'inductance de sortie doit être une piste large tout en étant aussi courte que possible. Le condensateur de sortie doit être placé le plus près possible de la charge. Un tel condensateur fournit un courant de charge transitoire rapide, de sorte que les lignes de connexion doivent être larges et courtes pour minimiser l'inductance et la résistance.

Le Contrôleur est de préférence placé dans une zone silencieuse du plan de masse pour empêcher le courant pulsé dans le condensateur d'entrée et la boucle FET de circuler dans cette zone. Les broches de référence de mise à la Terre haute et basse doivent revenir à la terre très près de l'ensemble de l'amplificateur de commande. La masse analogique à petit signal et la masse numérique doivent être connectées à la masse de l'un des condensateurs de sortie. Ne jamais mettre à la masse à l'intérieur du condensateur d'entrée / boucle FET. La boucle de résistance d'induction de courant doit être maintenue aussi courte que possible.

6. Travailler intelligemment

Bien que les exemples ci - dessus illustrent certaines méthodes permettant de prévoir et d'éviter certains pièges des systèmes à signaux mixtes, ils ne sont nullement exhaustifs. Chaque système a ses propres défis et chaque concepteur a ses propres obstacles à franchir. Qu'il s'agisse d'une protection plus difficile ou d'une gestion plus rigoureuse de l'énergie, choisir le bon composant est la première chose. Il existe un large choix de convertisseurs de défi, de contrôleurs de convertisseurs et d'équipements de protection TVS. Les placer au bon endroit sur la carte affichera les différences en matière de gestion et de protection de l'énergie. Le câblage bien pensé et la configuration du plan de masse sont des questions clés du troisième aspect. TVS pour circuits basse tension

Lorsque la tension est inférieure à 5V, la jonction PN traditionnelle TVS ne fonctionne pratiquement pas du tout. Cependant, il existe une diode à traversée améliorée (EPD) développée par UC Berkeley et semtech.

Contrairement à la structure PN traditionnelle des diodes TVS à avalanche, ce dispositif EPD utilise une structure à quatre couches n + p + P - N + plus complexe. Il utilise un dopage optique dans les couches p + et P - pour empêcher les jonctions n + p + polarisées en inverse de passer à l'état d'avalanche.

La structure NPN a été choisie à la place de la structure PNP en raison de sa mobilité électronique plus élevée et de ses propriétés de clampage améliorées. En fabriquant soigneusement la zone de base P, le dispositif obtenu présente d'excellentes caractéristiques de fuite, de calage et de capacité dans la plage de tension de 2,8 V à 3,3 v.

7. Pentium, appétit ouvert

La spécification Pentium II d'Intel exige que le courant augmente de 5a à 20A en 500ns avec un taux de conversion de 30A par microseconde. Le Contrôleur PWM polyphasé semiteck sc1144 est plus puissant que nécessaire pour les tâches. Il offre le contrôle de jusqu'à quatre convertisseurs DC - DC inversés pour obtenir la vitesse et la précision requises. Le DAC 5 bits intégré permet une sortie programmée pour la tension de sortie de 1,8 à 2,05 V par incréments de 50 MV et de 20 à 3,5 V par incréments de 100 MV.

Cette technologie polyphasée produit quatre tensions de sortie précises séparées par un déphasage de 90 degrés. Les quatre sorties numériques déphasées sont ensuite additionnées pour obtenir la tension de sortie et la capacité de courant souhaitées.

Chaque convertisseur fonctionne à 2 MHz et les concepteurs peuvent utiliser des condensateurs en céramique au lieu de condensateurs électrolytiques et bénéficier de petites dimensions, d'une montabilité en surface et d'un esr et ESL inférieurs.