Progettazione PCB - Analisi dell'integrità della potenza di progettazione della scheda PCB

Nella progettazione PCB, fornire una tensione stabile al segnale e una corretta distribuzione della tensione sono due obiettivi fondamentali nella progettazione di un sistema di alimentazione elettrica. Con l'emergere di problemi di integrità del segnale, riflessioni, crosstalk, ecc influenzeranno la stabilità del sistema di alimentazione. Accoppiato con la riduzione continua della tensione di funzionamento del chip, la fluttuazione dell'alimentazione elettrica influenzerà il normale funzionamento del sistema. L'analisi dell'integrità dell'alimentazione è quella di garantire un alimentatore stabile e affidabile nel PCB.

Panoramica dell'analisi dell'integrità energetica

L'integrità di potenza si riferisce alla qualità della forma d'onda di potenza nel sistema. Man mano che la velocità di commutazione dell'uscita IC aumenta, la velocità di bordo del segnale, cioè il tempo di salita e caduta del segnale, viene rapidamente ridotta e la linea elettrica subisce una notevole caduta di tensione a causa della sua induttanza parassitaria. Per velocità di bordo del segnale inferiori a 1ns, la tensione tra lo strato di potenza e lo strato di terra sul PCB sarà diversa ovunque sul circuito stampato, il che influenzerà la stabilità dell'alimentazione elettrica del chip e persino causerà la logica del chip

I fattori che causano l'instabilità del sistema di alimentazione sono rumore sincrono di commutazione, influenza non ideale dell'impedenza dell'alimentazione elettrica, risonanza ed effetti di bordo. In generale, il rumore sincrono di commutazione è la fonte principale di rumore dell'alimentazione elettrica. A causa dell'induttanza parassitaria del cavo di terra e del piano, una certa fluttuazione di tensione sarà causata sotto l'azione della corrente di commutazione.

Vale a dire, il terreno di riferimento del dispositivo non è più a livello zero. Pertanto, il livello del terreno da inviare dall'estremità dell'azionamento cambierà. Appare la corrispondente forma d'onda di interferenza. La fase della forma d'onda di interferenza è la stessa del rumore del suolo. Per la forma d'onda del segnale di commutazione, l'influenza del rumore di terra causerà il rallentamento del bordo di caduta del segnale; all'estremità ricevente, la forma d'onda del segnale sarà anche interferita dal rumore del suolo. Tuttavia, la fase della forma d'onda di interferenza è opposta a quella del rumore del suolo. Inoltre, in alcuni componenti di archiviazione, è possibile che il rumore di alimentazione e il rumore del suolo possano causare un'inversione inaspettata dei dati.

Nei circuiti ad alta frequenza, ci sono un gran numero di parametri parassitari nel piano di potenza. Questi parametri parassitari possono essere visti come una rete risonante LC o cavità risonante composta da molte induttanze e condensatori. A una certa frequenza, questi condensatori e induttanze risuonano, influenzando così l'impedenza dello strato di potenza. Oltre all'effetto di risonanza, l'effetto bordo del piano di alimentazione e del piano di terra è anche un problema a cui deve essere prestata attenzione nella progettazione dell'alimentazione elettrica. L'effetto bordo qui si riferisce al fenomeno di riflessione e radiazione del bordo. La dimensione della superficie rivestita di rame sul bordo del circuito stampato è limitata, quindi i problemi di interferenza elettromagnetica sono inclini a verificarsi. I condensatori di disaccoppiamento sono solitamente aggiunti nel progetto per ridurre l'effetto di radiazione del bordo e raggiungere lo scopo di sopprimere il rumore del piano di potenza.

Rumore sincrono di commutazione

Il rumore di commutazione sincrona (SSN) è prodotto principalmente dall'uscita di commutazione sincrona che accompagna il dispositivo. Più veloce è la velocità di commutazione, più significativo è il cambiamento istantaneo della corrente e maggiore è l'induttanza sul ciclo di corrente, più grave è il rumore sincrono di commutazione generato. Si può vedere che la grandezza del rumore di commutazione sincrona dipende dalle caratteristiche di I / O del circuito integrato, dall'impedenza del piano di potenza e del piano di terra della scheda PCB e dal layout e cablaggio dei dispositivi ad alta velocità sul PCB.

Secondo i percorsi di ritorno differenti, il rumore sincrono di commutazione può essere diviso in rumore di commutazione off-chip e rumore di commutazione on-chip. Il rumore di commutazione fuori chip si riferisce al rumore generato quando la corrente restituita dall'interruttore di segnale passa attraverso la linea di segnale e il piano di alimentazione/terra; Se lo stato di commutazione cambia, il percorso di ritorno corrente passa attraverso l'alimentazione e la terra invece della linea di segnale, il rumore in questo momento è rumore di commutazione On-chip. La riduzione del rumore di commutazione nel chip si ottiene principalmente riducendo l'induttanza del percorso attraverso il quale scorre il segnale di commutazione o rallentando la velocità di cambiamento del segnale di commutazione per ridurre la tensione indotta. La riduzione del rumore di commutazione off-chip può essere ottenuta riducendo la velocità di commutazione del driver interno del chip e il numero di interruttori simultanei, utilizzando il chip di velocità di bordo più lento che può soddisfare i requisiti di temporizzazione; o riducendo l'induttanza del ciclo del pacchetto, aumentando l'induttanza di accoppiamento del segnale e dell'alimentazione elettrica al suolo; Un condensatore bypass può anche essere utilizzato all'interno della confezione per consentire all'alimentazione e alla terra di condividere il ciclo di corrente e ridurre l'induttanza equivalente del percorso di ritorno.

Progettazione della distribuzione di energia PCB

In larga misura, il rumore dell'alimentazione deriva da sistemi di distribuzione dell'energia non ideali. Il sistema di distribuzione dell'energia deve fornire energia sufficiente a tutti i dispositivi del sistema. Questi dispositivi non solo necessitano di sufficiente perdita di energia, ma hanno anche determinati requisiti per la stabilità dell'alimentazione elettrica. Poiché c'è sempre impedenza nel piano di potenza reale, quando c'è una corrente momentanea che passa attraverso, si verificherà una caduta di tensione, che porterà a fluttuazioni di potenza. La maggior parte dei dispositivi richiedono fluttuazioni di potenza entro ±5% della tensione normale. Per garantire che ogni dispositivo possa funzionare normalmente, l'impedenza del piano di potenza dovrebbe essere ridotta il più possibile. Nel caso di una frequenza di funzionamento relativamente elevata, è necessario calcolare l'impedenza DC della resistenza e l'impedenza CA causata dall'induttanza. Quando si controlla l'impedenza dell'alimentatore, è possibile ridurre la resistenza interna dell'alimentatore utilizzando materiali con bassa resistività e linee elettriche corte e spesse. L'alimentazione elettrica dovrebbe essere il più vicino possibile al suolo e i condensatori di disaccoppiamento possono essere utilizzati per ridurre la resistenza dell'alimentazione elettrica. E induttanza, riducendo così l'impedenza dell'alimentazione elettrica.