Dati PCB - Qual è il sistema di distribuzione dell'energia sulla scheda PCB

Di solito ciò che mostriamo su Scheda PCB, the potenza distribution system (PDS) refers to the subsystem that distributes the power of the Power Source to the devices and devices in the system that need to be powered. C'è un sistema di distribuzione dell'energia in tutti i sistemi elettrici, come il sistema di illuminazione di un edificio, un oscilloscopio, a Scheda PCB, un pacchetto, e un chip, tutte dotate di un sistema di distribuzione dell'energia all'interno.

Sistema di distribuzione dell'energia su PCB

In un prodotto tipico, il sistema di distribuzione dell'energia comprende tutte le interconnessioni dal modulo di regolazione della tensione (VRM) alla scheda PCB, al pacchetto e al chip. Può essere diviso in quattro sezioni: modulo di regolazione della tensione (VRM) compreso il suo condensatore filtro - alimentazione elettrica; Condensatore di massa sulla scheda PCB, condensatore di disaccoppiamento ad alta frequenza, linea di interconnessione, via, piano di alimentazione / terra - sistema di distribuzione di energia della scheda PCB sul pacchetto; pacchetti pin, cavi di legame, interconnessioni e condensatori incorporati - sistema di distribuzione dell'energia sul pacchetto; Interconnessioni e condensatori on-chip, ecc. - il sistema di distribuzione dell'energia sul chip. Il cosiddetto sistema di distribuzione dell'energia sul PCB si riferisce a un sistema sul PCB che distribuisce la potenza della fonte di alimentazione a vari chip e dispositivi che devono essere alimentati. Questo articolo si concentra principalmente sul sistema di distribuzione dell'energia sulla scheda 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 sulla scheda PCB. Il ruolo del sistema di distribuzione dell'energia è quello di trasmettere tensione corretta e stabile, il che significa che la tensione in tutte le posizioni sul PCB può essere mantenuta corretta e stabile in qualsiasi condizione di carico. Lo studio del corretto e stabile funzionamento di un sistema di distribuzione dell'energia è quello che chiamiamo il problema di integrità dell'alimentazione.

Integrità dell'alimentazione

La cosiddetta integrità dell'alimentazione si riferisce al grado di conformità dell'alimentazione del sistema con i requisiti di potenza operativa alla porta del dispositivo che necessita di alimentazione rispetto alla porta del dispositivo dopo il passaggio attraverso il sistema di distribuzione dell'energia. In generale, i dispositivi che hanno bisogno di alimentazione sulla scheda PCB hanno determinati requisiti per l'alimentazione elettrica funzionante. Prendendo il chip come esempio, di solito mostra tre parametri: Tensione di alimentazione limite: Si riferisce alla tensione di alimentazione limite che i pin di alimentazione del chip possono sopportare. La tensione di alimentazione del chip non può superare l'intervallo richiesto di questo parametro, altrimenti può causare danni al chip; entro questo intervallo, la funzione del chip non è garantita; se il chip è al valore limite di questo parametro per un certo periodo di tempo, influenzerà la stabilità a lungo termine del chip; Tensione di lavoro consigliata: si riferisce all'intervallo entro il quale la tensione dei pin di alimentazione del chip deve essere garantita per far funzionare il chip normalmente e in modo affidabile, solitamente espressa come "V±x%", dove V è il valore tipico dei pin di alimentazione del chip Tensione di lavoro, x% è l'intervallo di fluttuazione di tensione ammissibile, il comune x è 5 o 3; Rumore dell'alimentazione elettrica: si riferisce al rumore di ondulazione ammissibile sulla tensione dei pin dell'alimentazione elettrica del chip per far funzionare il chip normalmente e in modo affidabile, di solito utilizzando il suo valore picco-picco per caratterizzare. La scheda tecnica del chip di solito fornisce i requisiti per "tensione di alimentazione limite" e "tensione di funzionamento consigliata". Per "rumore dell'alimentazione elettrica", potrebbe non essere fornito separatamente. In questo caso, può essere incluso nel parametro "tensione di esercizio consigliata". E "rumore dell'alimentazione elettrica" è al centro di questo articolo, e sarà discusso separatamente più tardi. Prendendo l'esempio di cui sopra per illustrare, il problema dell'integrità di alimentazione è quello di discutere la "tensione di alimentazione limite" e la "tensione di lavoro raccomandata" dell'alimentazione elettrica a diversi pin di alimentazione del chip rispetto ai pin del chip dopo che l'alimentazione del sistema passa attraverso il sistema di distribuzione di energia. I requisiti del rumore dell'alimentazione elettrica.

Tre caratteristiche del sistema di distribuzione dell'energia

I mezzi fisici del sistema di distribuzione dell'energia sono vari, tra cui connettore, cavo, traccia, piano di alimentazione, piano GND, via, pad, pin chip, ecc., e le loro caratteristiche fisiche (materiale, forma, dimensione, ecc.) sono diversi. Poiché lo scopo del sistema di distribuzione dell'energia è quello di fornire la potenza dell'alimentazione del sistema ai dispositivi che devono essere alimentati, per fornire una tensione stabile e un ciclo di corrente completo, 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 caratterizza la resistenza di un conduttore alla corrente DC, solitamente rappresentata da R. La sua caratteristica fisica principale è che quando una corrente I scorre, converte l'energia elettrica in energia termica (I2R) e produce una caduta di tensione DC (IR) attraverso di essa. ). È una proprietà fisica di un conduttore ed è dipendente dalla 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 nei cavi e nei connettori, la resistenza distribuita esiste nei fili di rame, negli strati di alimentazione, negli strati di terra e nei vias, e la resistenza CC esiste in saldature, pastiglie e pin di chip. C'è resistenza al contatto tra di loro. IR Drop: Questo effetto fa diminuire gradualmente la tensione di alimentazione lungo la rete di distribuzione dell'energia o aumenta la tensione del terreno di riferimento, che riduce la tensione alla porta del dispositivo che deve essere alimentato, causando problemi di integrità dell'alimentazione; Dissipazione di potenza termica: questo effetto riduce l'alimentazione elettrica La potenza viene convertita in calore e, allo stesso tempo, provoca l'aumento della temperatura del sistema, compromettendo la stabilità e l'affidabilità del sistema. 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 riduce la tensione di alimentazione Vcc del carico e la caduta di tensione IR2 sul percorso di ritorno solleva il livello GND del carico. Le cadute di tensione delle resistenze sopra menzionate RS , R1 , e R2 porteranno tutti alla riduzione della tensione di alimentazione VCC-GND del carico e causeranno il problema dell'integrità di alimentazione. La perdita di calore generata dalla resistenza del sistema di distribuzione dell'energia farà sì che la potenza dell'alimentatore venga convertita in calore e dissipata invano, riducendo così l'efficienza del sistema. Allo stesso tempo, il riscaldamento causerà l'aumento della temperatura del sistema, riducendo la durata di alcuni dispositivi (come i condensatori elettrolitici) e quindi influenzando 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 al valore di resistenza della resistenza, quindi ridurre le caratteristiche di resistenza del sistema di distribuzione dell'energia è uno dei nostri obiettivi di progettazione.

Caratteristiche di induttanza

L'induttanza è una quantità fisica che caratterizza la resistenza di un conduttore ad una corrente alternata. Quando una 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 causerà l'induzione indotta La corrente ostacola il cambiamento della corrente originale; Quando il cambiamento di corrente in altri conduttori intorno al conduttore provoca il cambiamento del campo magnetico intorno al conduttore, anche una tensione indotta sarà generata nel conduttore e la polarità della tensione causerà la corrente indotta ad ostacolare la corrente originale. Il cambiamento. L'effetto di questo conduttore per ostacolare il cambiamento di corrente è chiamato induttanza, il primo è chiamato auto-induttanza L, e il secondo è chiamato induttanza reciproca M. Qui diamo direttamente due proprietà di induttanza reciproca: simmetria: due conduttori a e b, indipendentemente dalla dimensione, forma e posizione relativa, l'induttanza reciproca tra conduttore a e conduttore b è uguale all'induttanza reciproca tra conduttore b e conduttore a, cioè l'induttanza reciproca è ugualmente comune a entrambi i conduttori; L'induttanza reciproca è inferiore all'auto-induttanza: l'induttanza reciproca di due conduttori è inferiore all'auto-induttanza di entrambi i conduttori. Questa tensione indotta causata da cambiamenti di corrente è significativa nell'integrità del segnale (inclusa l'integrità dell'alimentazione) e può causare effetti sulla linea di trasmissione, cambiamenti bruschi, Crosstalk, SSN, Rail Collapse, Ground Bounce e la maggior parte degli EMI. Nel sistema di distribuzione dell'energia, l'induttanza è onnipresente. Connettori, cavi, fili di rame, strati di alimentazione, strati di terra, vias, pad, pin del chip, ecc. Tutti hanno induttanza e c'è induttanza reciproca tra i conduttori che sono vicini l'uno all'altro. Supponendo che l'autoinduttanza locale del ramo a sia La, l'autoinduttanza locale del ramo b è Lb, l'induttanza reciproca locale tra questi due rami è M, e la corrente nel ciclo è I. Poiché i due rami sono paralleli e le correnti scorrono in direzioni opposte, i campi magnetici da essi generati sono in direzioni opposte. Supponendo che io aumenti, per ramo a, la polarità della tensione indotta generata da La impedirà l'I nel ramo a. aumento, ma la polarità della tensione indotta generata da M aiuterà l'aumento di I nel ramo a. Se ramo a rappresenta il percorso di potenza e ramo b rappresenta il percorso di ritorno, Va rappresenta il rumore di potenza (collasso ferroviario/rimbalzo di potenza) sul percorso di potenza, e Vb rappresenta il rumore di collasso/rimbalzo del terreno sul percorso di ritorno. Entrambi questi due tipi di rumore causeranno instabilità della tensione di alimentazione e causeranno problemi di integrità dell'alimentazione. Pertanto, uno dei nostri obiettivi di progettazione è quello di ridurre le due tensioni di cui sopra. Ci sono due modi: ridurre il più possibile il tasso di cambio della corrente loop: Ciò significa che la velocità di cambio improvviso della corrente prelevata dal carico deve essere ridotta, il numero di porte di alimentazione che condividono il percorso di alimentazione e il percorso di ritorno deve essere limitato; L'induttanza reciproca locale tra i due rami. Ridurre l'autoinduttanza locale del ramo significa utilizzare il percorso di potenza più breve e più ampio possibile e il percorso di ritorno. Aumentare l'induttanza reciproca locale significa che i due rami devono essere paralleli. E il più vicino possibile sotto la premessa del reverse. Dall'analisi di cui sopra, si può vedere che la tensione indotta causata dall'induttanza quando la corrente cambia è la fonte di molti problemi nell'integrità di potenza, quindi ridurre la tensione indotta sopra del sistema di distribuzione di energia è uno dei nostri obiettivi di progettazione.

Il sistema di distribuzione dell'energia è il principale oggetto di discussione in questo articolo, e il relativo contenuto del suo lavoro è la questione dell'integrità del potere. Il sistema di distribuzione dell'energia ha resistivo, caratteristiche induttive e capacitive, rispettivamente. Le caratteristiche resistive e induttive sono dannose per l'integrità della potenza, mentre le caratteristiche capacitive sono vantaggiose per l'integrità dell'alimentazione. Il nostro obiettivo progettuale è quello di ridurre o addirittura eliminare l'influenza delle caratteristiche resistive e induttive, e migliorare l'influenza delle caratteristiche capacitive su Scheda PCB.