PCB Tecnico - Progettazione di integrità di potenza in PCB ad alta velocità

I. Introduzione

Con il graduale aumento della complessità di progettazione PCB, oltre alla riflessione, al crosstalk e all'analisi EMI per l'integrità del segnale, l'alimentazione elettrica stabile e affidabile è diventata anche una delle direzioni chiave di ricerca per i progettisti. Soprattutto quando il numero di dispositivi di commutazione continua ad aumentare e la tensione centrale continua a diminuire, la fluttuazione dell'alimentazione elettrica avrà spesso un impatto fatale sul sistema, quindi le persone propongono un nuovo termine: integrità dell'alimentazione, denominato PI (powerintegrity). Nel mercato internazionale di oggi, la progettazione IC è relativamente sviluppata, ma la progettazione di integrità dell'alimentazione è ancora un anello debole. Pertanto, questo articolo propone la generazione di problemi di integrità dell'alimentazione nelle schede PCB, analizza i fattori che influenzano l'integrità dell'alimentazione e propone metodi di ottimizzazione e progetti empirici per risolvere i problemi di integrità dell'alimentazione nelle schede PCB. Ha forti analisi teoriche e applicazioni ingegneristiche pratiche. valore.

2. La causa e l'analisi del rumore dell'alimentazione elettrica

Analizziamo la causa del rumore dell'alimentazione elettrica attraverso un diagramma del circuito NAND. Il diagramma del circuito nella Figura 1 è un diagramma della struttura di un cancello NAND a tre ingressi. Poiché il gate 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 sta diventando sempre più veloce, il che introduce più componenti ad alta frequenza e l'induttanza nel ciclo può facilmente causare fluttuazioni di potenza alle alte frequenze. Come nella figura 1, quando gli ingressi NAND gate sono tutti alti, il transistor nel circuito è acceso, il circuito è cortocircuito momentaneamente e l'alimentazione carica il condensatore mentre scorre nel filo di terra. In questo momento, a causa dell'induttanza parassitaria sulla linea elettrica e sulla linea di terra, possiamo sapere dalla formula V=LdI/dt che questo produrrà fluttuazioni di tensione sulla linea di alimentazione e sulla linea di terra, come mostrato in Figura 2 dal bordo ascendente del livello. Io suono. Quando l'ingresso NAND gate è basso, il condensatore si scarica in questo momento, che produrrà un grande rumore ΔI sul terreno; e l'alimentazione in questo momento ha solo l'improvviso cambiamento di corrente causato dal cortocircuito istantaneo del circuito, perché non c'è carica al condensatore. L'improvviso cambiamento di corrente è più piccolo del bordo ascendente. Dall'analisi del circuito gate NAND, sappiamo che le cause profonde dell'instabilità dell'alimentazione elettrica sono principalmente in due aspetti: in primo luogo, la corrente alternata transitoria è troppo grande quando il dispositivo viene commutato ad alta velocità;

Il secondo è l'induttanza che esiste sul ciclo corrente. Il cosiddetto problema di integrità dell'alimentazione a terra significa che in un PCB ad alta velocità, quando un gran numero di chip viene acceso o spento allo stesso tempo, nel circuito verrà generata una grande corrente transitoria. Allo stesso tempo, a causa dell'esistenza di induttanza e resistenza sulla linea elettrica e sulla linea di terra, ci saranno fluttuazioni di tensione su entrambi. Conoscendo la natura del problema di integrità dell'alimentazione, sappiamo che per risolvere il problema di integrità dell'alimentazione, prima di tutto, per i dispositivi ad alta velocità, aggiungiamo condensatori di disaccoppiamento per rimuovere i suoi componenti di rumore ad alta frequenza, in modo da ridurre il tempo transitorio del segnale; Per l'induttanza presente nel ciclo, dobbiamo considerare la progettazione gerarchica dell'alimentatore.

In terzo luogo, l'applicazione dei condensatori di disaccoppiamento

Nella progettazione PCB ad alta velocità, i condensatori di disaccoppiamento svolgono un ruolo importante e anche la sua posizione di posizionamento è molto importante. Questo perché quando l'alimentatore alimenta il carico per un breve periodo, la carica memorizzata nel condensatore può impedire la caduta della tensione. Se il condensatore è posizionato in una posizione impropria, l'impedenza della linea può essere troppo grande e influenzare l'alimentazione elettrica. Allo stesso tempo, il condensatore può filtrare il rumore ad alta frequenza durante la commutazione ad alta velocità del dispositivo. Nel nostro design 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. Il valore di capacità vicino all'estremità dell'alimentazione elettrica è generalmente più grande (come 10μF). Questo perché generalmente usiamo Al fine di filtrare il rumore dell'alimentazione elettrica, la frequenza di risonanza dell'alimentazione continua può essere relativamente bassa; Allo stesso tempo, il grande condensatore può garantire la stabilità dell'uscita dell'alimentazione elettrica. Per il condensatore di disaccoppiamento aggiunto al pin del chip collegato all'alimentazione elettrica, il suo valore di capacità è generalmente piccolo (come 0,1μF), perché nei chip ad alta velocità, la frequenza del rumore è generalmente più alta, che richiede l'aggiunta di disaccoppiamento La frequenza di risonanza del condensatore dovrebbe essere alta, cioè, la capacità del condensatore di disaccoppiamento dovrebbe essere piccola.

Per quanto riguarda il posizionamento dei condensatori di disaccoppiamento, sappiamo che il posizionamento improprio 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 utilizzare la formula:

Nella formula, l: lunghezza della linea tra il condensatore e il chip; r: il raggio della linea; d: la distanza tra la linea elettrica e il terreno;

Da questo sappiamo che per ridurre l'induttanza L, è necessario ridurre l'l e d, cioè ridurre l'area del loop formata dal condensatore di disaccoppiamento e dal chip, cioè il condensatore e il chip devono essere il più vicino possibile al dispositivo chip.

Quarto, la progettazione del circuito di alimentazione

Per garantire l'integrità dell'alimentazione, sappiamo che una buona rete di distribuzione dell'energia è essenziale. Prima di tutto, per la progettazione della linea elettrica e della linea di terra, dobbiamo garantire che la larghezza della linea sia più spessa (ad esempio, la larghezza è 40mil e la linea di segnale ordinaria è 10mil), in modo da ridurre il valore di impedenza il più possibile. Con la velocità del chip sempre più elevata, secondo la regola 5/5, stiamo utilizzando sempre più schede multistrato, alimentate da uno strato di potenza dedicato e uno strato di terra dedicato per formare un loop, riducendo così l'induttanza del circuito.