Tecnologia RF - Progettazione di ottimizzazione dell'integrità dell'alimentazione elettrica nella scheda PCB

1., l'introduzione

Con il graduale aumento della complessità di progettazione della scheda PCB, l'analisi dell'integrità del segnale oltre a riflessione, crosstalk ed EMI, l'alimentazione elettrica stabile e affidabile è diventata una delle direzioni chiave di ricerca dei progettisti. Soprattutto quando il numero di dispositivi di commutazione sta aumentando e la tensione centrale sta diminuendo, la fluttuazione dell'alimentazione porterà spesso un'influenza fatale al sistema, quindi le persone propongono un nuovo termine: integrità dell'alimentazione, PI (integrità dell'alimentazione). Nel mercato internazionale di oggi, la progettazione IC è più sviluppata, ma la progettazione di integrità dell'alimentazione è ancora un anello debole. Pertanto, questo documento presenta la generazione del problema di integrità dell'alimentazione elettrica nella scheda PCB, analizza i fattori che influenzano l'integrità dell'alimentazione elettrica e presenta il metodo di ottimizzazione e la progettazione dell'esperienza per risolvere il problema di integrità dell'alimentazione elettrica nella scheda PCB, che ha una forte analisi teorica e un valore applicativo pratico di ingegneria.

2, la causa e l'analisi del rumore dell'alimentazione elettrica

La fonte di rumore di potenza è analizzata da un diagramma del circuito NAND gate. Il diagramma del circuito mostra la struttura di un cancello Nand a tre ingressi. Poiché il cancello NAND è un dispositivo digitale, funziona passando tra i livelli "1" e "0". Con il miglioramento continuo della tecnologia IC, la velocità di commutazione dei dispositivi digitali è più veloce e veloce, il che introduce più componenti ad alta frequenza e l'induttanza nel ciclo è facile causare la fluttuazione dell'alimentazione elettrica ad alta frequenza. Come mostrato nella figura 1, quando l'ingresso del cancello NAND è tutto ad alta tensione, il triode nel circuito si accende, il circuito si corto istantaneamente e l'alimentazione carica il condensatore e fluisce nel filo di terra allo stesso tempo. In questo momento, a causa dell'induttanza parassitaria sulla linea elettrica e sul filo di terra, sappiamo dalla formula V=LdI/dt che questo genererà fluttuazioni di tensione sulla linea elettrica e sul filo di terra, e il rumore δ I introdotto dal bordo di elevazione del livello come mostrato nella Figura 2. Quando l'ingresso del cancello Nand è a un livello di corrente basso, il condensatore si scarica in questo momento e grande rumore δ I sarà generato sul filo di terra. In questo momento, l'alimentatore ha solo la mutazione di corrente causata dal cortocircuito istantaneo del circuito, perché non c'è carica al condensatore, la mutazione di corrente è più piccola del bordo ascendente. Dall'analisi del circuito del cancello NAND, sappiamo che la fonte di instabilità dell'alimentazione elettrica risiede principalmente in due aspetti: uno è lo stato di commutazione ad alta velocità del dispositivo, la corrente alternata transitoria è troppo grande.

Il secondo è l'induttanza esistente nel ciclo corrente. Il cosiddetto problema di integrità dell'alimentazione a terra si riferisce a che nel PCB ad alta velocità quando un gran numero di chip è acceso o spento allo stesso tempo, nel circuito verrà generata una grande corrente transitoria e la fluttuazione di tensione sarà generata sia sulla linea elettrica che sulla linea di terra a causa dell'esistenza di resistenza all'induttanza. Comprendendo la natura del problema di integrità dell'alimentazione elettrica, sappiamo che per risolvere il problema di integrità dell'alimentazione elettrica, prima di tutto, per i dispositivi ad alta velocità, aggiungiamo un condensatore di disaccoppiamento per rimuovere la sua componente di rumore ad alta frequenza, per ridurre il tempo transitorio del segnale; Per l'induttanza esistente nel ciclo, dobbiamo considerare il design stratificato dell'alimentatore.

3, l'applicazione del condensatore di disaccoppiamento

I condensatori di disaccoppiamento svolgono un ruolo importante nella progettazione PCB ad alta velocità e anche il loro posizionamento è molto importante. Questo perché quando l'alimentatore alimenta il carico per un breve periodo, la carica di archiviazione nel condensatore può impedire la caduta di tensione, come il posizionamento improprio del condensatore può rendere l'impedenza della linea troppo grande, influenzando l'alimentazione elettrica. Allo stesso tempo, il condensatore può filtrare il rumore ad alta frequenza durante la commutazione ad alta velocità del dispositivo. Nella progettazione PCB ad alta velocità, generalmente aggiungiamo un condensatore di disaccoppiamento all'estremità in uscita dell'alimentazione elettrica e all'estremità in ingresso dell'alimentazione elettrica del chip rispettivamente. Il valore di capacità vicino all'alimentazione elettrica è generalmente più grande (come 10μF). Questo perché l'alimentazione CC è generalmente utilizzata in PCB e la frequenza di risonanza del condensatore può essere relativamente bassa per filtrare il rumore dell'alimentazione elettrica. Allo stesso tempo, la grande capacità può garantire la stabilità dell'uscita dell'alimentazione elettrica. Per il chip collegato all'alimentazione elettrica della posizione del pin del condensatore di disaccoppiamento, il suo valore di capacità è generalmente piccolo (come 0,1μF), questo perché, nei chip ad alta velocità, la frequenza del rumore è generalmente relativamente alta, il che richiede che la frequenza di risonanza del condensatore di disaccoppiamento aggiunta sia alta, cioè la capacità del condensatore di disaccoppiamento sia piccola.

Per quanto riguarda il posizionamento del condensatore di disaccoppiamento, sappiamo che la posizione impropria aumenterà l'impedenza della linea, ridurrà la sua frequenza di risonanza e influenzerà l'alimentazione elettrica. Per il condensatore di disaccoppiamento e l'induttanza nel chip o nell'alimentazione elettrica, possiamo calcolare dalla formula. L: la lunghezza della linea tra il condensatore e il chip; R: raggio della linea; D: distanza tra linea elettrica e terra. Pertanto, sappiamo che per ridurre l'induttanza L, L e D devono essere ridotti, cioè l'area del ciclo formata dal disaccoppiamento del condensatore e del chip dovrebbe essere ridotta, cioè la capacità e il chip dovrebbero essere il più vicino possibile al dispositivo del chip.

4., la progettazione del ciclo di alimentazione

Per garantire l'integrità dell'alimentazione elettrica, sappiamo che una buona rete di distribuzione dell'energia è essenziale. Prima di tutto, per la progettazione della linea elettrica e del cavo di massa, dovremmo garantire che la larghezza della linea sia spessa (come 40mil, mentre la linea di segnale ordinaria è 10mil), per ridurre il suo valore di impedenza il più possibile. Man mano che i chip diventano sempre più veloci, secondo la regola 5/5, utilizziamo sempre più schede multistrato, alimentate da uno strato di potenza dedicato e circuitate da uno strato dedicato, riducendo così l'induttanza della linea.