Notizie PCB - Qual è esattamente il sistema di distribuzione dell'energia sul PCB

In generale, PDS si riferisce al sottosistema che distribuisce l'alimentazione della sorgente di alimentazione ai dispositivi e ai componenti del sistema. I sistemi di distribuzione dell'energia esistono in tutti i sistemi elettrici, come il sistema di illuminazione di un edificio, un oscilloscopio, una scheda PCB, un pacchetto, un chip, il suo sistema interno di distribuzione dell'energia.

Sistema di distribuzione dell'energia su scheda PCB

In un prodotto tipico, il sistema di distribuzione dell'energia consiste di tutte le interconnessioni dal modulo regolatore di tensione (VRM) al PCB, all'imballaggio e poi sul chip. Può essere diviso in quattro sezioni:

Il modulo di regolazione della tensione (VRM) include il suo condensatore filtro - alimentazione elettrica;

Capacità di massa su PCB, capacità di disaccoppiamento ad alta frequenza, linee di interconnessione, attraverso fori, piano di potenza / terra - sistema di distribuzione di energia su PCB;

Perni confezionati, cavi di legame, interconnessioni e condensatori incorporati - sistemi di distribuzione di energia confezionati;

Sistema di distribuzione dell'energia del chip on - interconnessione e capacità - on - chip.

Questo articolo si concentra sulla parte 2, il sistema di distribuzione dell'energia su PCB. Il resto non rientra nell'ambito di applicazione di questo articolo.

Il sistema di distribuzione dell'energia su PCB si riferisce al sistema in cui PCB distribuisce l'alimentazione della fonte di alimentazione a vari chip e dispositivi che necessitano di alimentazione. Questo articolo si concentra sul sistema di distribuzione dell'energia su PCB, quindi siamo d'accordo che il sistema di distribuzione dell'energia o PDS menzionato di seguito si riferisce al sistema di distribuzione dell'energia su PCB.

Il ruolo del sistema di distribuzione dell'energia è quello di trasmettere la tensione corretta e stabile, il che significa che la tensione in tutte le posizioni sul PCB può rimanere corretta e stabile in qualsiasi condizione di carico. Lo studio del corretto e stabile funzionamento del sistema di distribuzione dell'energia è chiamato problema di integrità dell'alimentazione.

Integrità dell'alimentazione

L'integrità dell'alimentazione si riferisce al grado in cui l'alimentazione elettrica del sistema soddisfa i requisiti dell'alimentazione presso la porta del dispositivo che necessita dell'alimentazione elettrica dopo il passaggio attraverso il sistema di distribuzione dell'energia.

In generale, i componenti che hanno bisogno di alimentazione su PCB hanno determinati requisiti per l'alimentazione elettrica funzionante. Prendendo il chip come esempio, di solito è espresso come tre parametri:

Tensione di alimentazione finale: si riferisce alla tensione di alimentazione finale che il pin di alimentazione del chip può sopportare. La tensione di alimentazione del chip non può superare l'intervallo richiesto; altrimenti, il chip potrebbe essere danneggiato. All'interno di questo intervallo, la funzione del chip non è garantita; Se il chip è nel valore limite di questo parametro per un certo tempo, la stabilità a lungo termine del chip sarà influenzata.

Tensione di funzionamento consigliata: si riferisce all'intervallo di tensione che il pin di alimentazione del chip deve soddisfare per far funzionare il chip normalmente e in modo affidabile. Di solito è rappresentato da "V± X%", dove V è la tensione di funzionamento tipica del pin di alimentazione del chip, x% è l'intervallo di fluttuazione di tensione ammissibile e la X comune è 5 o 3.

Rumore dell'alimentazione elettrica: il rumore di ondulazione consentito alla tensione del pin dell'alimentazione elettrica del chip per il chip di funzionare in modo affidabile e normalmente rappresentato dal suo valore picco-picco.

I requisiti di "tensione di alimentazione limite" e "tensione di esercizio consigliata" sono generalmente previsti per il chip, ma "rumore di alimentazione" non può essere fornito separatamente, che può essere incluso nel parametro "tensione di esercizio raccomandata". Il "rumore di potenza" è al centro di questo documento e sarà discusso separatamente in seguito.

Per illustrare gli esempi di cui sopra, il problema dell'integrità dell'alimentazione elettrica è quello di discutere in che modo l'alimentazione del sistema soddisfa i requisiti di "tensione di alimentazione limite", "tensione di esercizio consigliata" e "rumore dell'alimentazione elettrica" a diversi pin di alimentazione del chip dopo il passaggio attraverso il sistema di distribuzione dell'energia.

Tre caratteristiche di un sistema di distribuzione dell'energia

I media fisici del sistema di distribuzione dell'energia sono diversi, tra cui connettore, cavo, traccia, piano di alimentazione, piano GND, via, saldatura, pad, pin chip, ecc. Differiscono nelle proprietà fisiche (materiale, forma, dimensione, ecc.). Poiché lo scopo del sistema di distribuzione dell'energia è quello di fornire l'alimentazione dell'alimentazione del sistema al dispositivo che ha bisogno di alimentazione, Per fornire tensione stabile e ciclo di corrente completo, quindi ci concentriamo solo su tre caratteristiche elettriche del sistema di distribuzione dell'energia: caratteristiche di resistenza, caratteristiche di induttanza e caratteristiche di capacità.

Caratteristiche di resistenza

La resistenza è una quantità fisica che rappresenta l'effetto di ostacolo del conduttore sulla corrente CC, solitamente rappresentata da R. La sua caratteristica fisica principale è che quando la corrente I scorre attraverso, l'energia elettrica è convertita in energia termica (I2R) e la caduta di tensione CC (IR) è generata ad entrambe le estremità.

La resistenza è una caratteristica del conduttore stesso, che è correlata alla temperatura, al materiale, alla lunghezza e all'area della sezione trasversale del conduttore ed è determinata dalla formula 1.1:

-- Resistività del conduttore

- Lunghezza del conduttore

-- L'area della sezione trasversale del conduttore

Tra loro

Proprietà fisica di un conduttore e relativa alla temperatura. La resistività di un metallo aumenta generalmente con la temperatura.

La resistenza esiste ovunque nel sistema di distribuzione dell'energia: la resistenza CC e la resistenza al contatto esistono in cavi e connettori, la resistenza distribuita esiste in filo di rame, strato di alimentazione, strato e foro passante, la resistenza CC esiste in saldatura, pad e chip pin e resistenza al contatto esiste tra di loro.

Queste resistenze, quando la corrente scorre attraverso di esse, producono due effetti:

Drop di tensione Dc (IR Drop): Questo effetto causerà la diminuzione graduale della tensione di alimentazione lungo la rete di distribuzione dell'energia, o causerà l'aumento della tensione del terreno di riferimento, riducendo così la tensione della porta del dispositivo che richiede l'alimentazione elettrica, con conseguente problemi di integrità dell'alimentazione elettrica.

Dissipazione di potenza termica: la dissipazione di potenza termica converte l'alimentazione da alimentatori a calore e aumenta la temperatura del sistema, compromettendo la stabilità e l'affidabilità del sistema.

Equivalente alla resistenza e al carico del sistema di distribuzione dell'energia al circuito come mostrato nella figura 1.1:

Dove, Vsource rappresenta la tensione di alimentazione, Voutput rappresenta la tensione di uscita, RS rappresenta la resistenza di alimentazione, R1 rappresenta la resistenza distribuita sul percorso di alimentazione, R2 rappresenta la resistenza distribuita sul percorso di ritorno. Supponendo che la corrente del ciclo sia I, la tensione di alimentazione del carico è mostrata nell'equazione 1.2:

La caduta di tensione IRS su RS riduce la tensione di uscita Voutput dell'alimentazione elettrica, la caduta di tensione IR1 sul percorso di alimentazione diminuisce la tensione di alimentazione Vcc del carico e la caduta di tensione IR2 sul percorso di ritorno aumenta il livello GND del carico. La caduta di tensione delle resistenze RS, R1 e R2 sopra ridurrà la tensione di alimentazione vCC-GND del carico, con conseguente problemi di integrità dell'alimentazione elettrica.

La perdita di calore sulla resistenza del sistema di distribuzione dell'energia causerà la conversione della potenza dell'alimentazione elettrica in calore e la dissipazione, riducendo così l'efficienza del sistema. Allo stesso tempo, il riscaldamento causerà l'aumento della temperatura del sistema, ridurrà la vita di alcuni dispositivi (come i condensatori elettrolitici), influenzando così la stabilità e l'affidabilità del sistema. L'eccessiva densità di corrente in alcune aree causerà anche l'aumento della temperatura locale o addirittura l'esaurimento.

Dall'analisi di cui sopra si può vedere che questi due effetti sono dannosi per il sistema e la loro influenza è proporzionale alla dimensione del valore di resistenza, quindi ridurre le caratteristiche di resistenza del sistema di distribuzione dell'energia è uno dei nostri obiettivi di progettazione.

Caratteristica dell'induttanza

L'induttanza è una quantità fisica che caratterizza la resistenza di un conduttore alla corrente alternata. Quando la corrente scorre attraverso il conduttore, un campo magnetico si formerà intorno al conduttore. Quando la corrente cambia, anche il campo magnetico cambierà e il campo magnetico cambia formerà una tensione indotta ad entrambe le estremità del conduttore. La polarità della tensione farà sì che la corrente indotta ostruisca il cambiamento della corrente originale. Quando un cambiamento nel campo magnetico intorno a un conduttore è causato da un cambiamento nella corrente in altri conduttori, anche una tensione indotta sarà generata nel conduttore e la polarità della tensione causerà la corrente indotta ad ostacolare il cambiamento nella corrente originale. L'effetto di questo conduttore contro il cambiamento della corrente è chiamato induttanza, la prima chiamata auto-induttanza L, la seconda chiamata induttanza M reciproca. Qui diamo direttamente due caratteristiche di induttanza reciproca:

Simmetria: due conduttori A e B, indipendentemente dalla dimensione, forma e posizione relativa, l'induttanza reciproca del conduttore A al conduttore B è uguale all'induttanza reciproca del conduttore B al conduttore A, cioè, l'induttanza reciproca è ugualmente comune ai due conduttori;

Induttanza reciproca inferiore all'auto induttanza: L'induttanza reciproca di due conduttori è inferiore all'auto induttanza di entrambi i conduttori.