PCB Tecnico - Come bilanciare la progettazione dell'alimentazione elettrica PCB

Quando si progetta una scheda PCB più complessa, è necessario fare alcuni compromessi di progettazione. A causa di questi compromessi, ci sono diversi fattori che influenzano la progettazione della rete di distribuzione di energia di un PCB.

Come bilanciare la progettazione dell'alimentazione elettrica PCB

Quando il condensatore è installato sul PCB, c'è un'induttanza aggiuntiva del ciclo, che è correlata all'installazione del condensatore. Il valore dell'induttanza del ciclo dipende dalla progettazione. L'induttanza del ciclo dipende dalla larghezza e dalla lunghezza della linea dal condensatore al foro, dalla lunghezza della linea che collega il condensatore al piano di potenza/massa, dalla distanza tra i due fori, dal diametro del foro, dal pad di saldatura del condensatore, ecc. Figura 1 mostra la grafica di installazione di vari condensatori.

Punti chiave nella progettazione di ridurre l'induttanza del circuito condensatore:

■I fori devono essere posizionati il più vicino possibile al condensatore. Ridurre la distanza tra potenza e terra. Se possibile, utilizzare più coppie di alimentatori/fori di messa a terra in parallelo. Ad esempio, i due fori con polarità opposta di corrente dovrebbero essere posizionati il più vicino possibile e i fori con la stessa polarità di corrente dovrebbero essere posizionati il più lontano possibile.

■Collegare i fori ai pin di capacità con fili corti e larghi.

■Posizionare i condensatori sulla superficie del PCB (superiore e inferiore) il più vicino possibile al loro corrispondente piano di potenza / terra. Ciò riduce la distanza tra i fori. Utilizzare un elettrolita sottile tra la potenza/terra.

Seguono tre diversi casi di progettazione, per il montaggio dei condensatori e l'induttanza di propagazione. FIG. 2 mostra l'introduzione dell'induttanza nel ciclo in varie condizioni di progettazione.

Caso 1 - Scarsa progettazione

■I progettisti non si concentrano sulla progettazione della rete di distribuzione dell'energia (PDN).

- Lo spazio dei fori non è ottimizzato.

■La distanza tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra non è ottimizzata.

■Lunga distanza del cavo tra il foro e il perno del condensatore.

Per la dimensione complessiva dell'induttanza del ciclo, l'induttanza del ciclo proviene principalmente dalla linea impostata, perché la lunghezza della linea del disegno scadente è cinque volte più lunga degli altri due casi (buon design e molto buon design). La distanza dalla base in cui è installato il condensatore al piano vicino è anche un fattore importante nella dimensione dell'induttanza del ciclo. Poiché questo non è ottimizzato (10mil), l'effetto del cablaggio sulla dimensione dell'induttanza dell'intero ciclo è molto grande. Inoltre, poiché il progettista ha usato 10mil di materiale dielettrico tra la fonte di alimentazione e il terreno, il fattore secondario nell'induttanza del ciclo proviene dall'induttanza di propagazione. La distanza tra i fori senza ottimizzazione non è così significativa come la lunghezza dei fori. L'effetto del foro diventa maggiore quando il foro è più lungo.

Caso 2- Buon design

■I progettisti si sono concentrati sulla progettazione di una rete di distribuzione parziale dell'energia (PDN).

- Migliorata la distanza dei fori. La lunghezza del foro rimane la stessa.

■Migliorata la distanza tra l'alimentazione elettrica e il livello del suolo.

■La distanza del cavo dal foro al perno del condensatore è ottimizzata.

L'induttanza del circuito del filo è ancora il principale contributore all'induttanza complessiva del circuito. Tuttavia, l'induttanza del circuito ben progettato è circa 2,7 volte più piccola di quella del circuito mal progettato. Poiché i progettisti hanno ridotto lo spessore del dielettrico da 10mil a 5mil, l'induttanza di propagazione è stata dimezzata. L'impatto delle perforazioni è leggermente migliorato riducendo la distanza tra le perforazioni.

■I progettisti prestano grande attenzione al design di PDN.

■Migliorata la distanza e la lunghezza dei fori.

■La distanza tra alimentazione elettrica e terra è stata anche completamente ottimizzata.

■La distanza del cavo dal foro al perno del condensatore è ottimizzata.

L'induttanza di un disegno molto buono è circa 7,65 volte inferiore a quella di un disegno povero. Ciò si ottiene riducendo la quantità di spessore sul PCB dalla superficie inferiore in cui il condensatore è installato allo strato piatto vicino a causa della lunghezza ridotta del cablaggio. Poiché i progettisti hanno ottimizzato lo spessore dello strato elettrolitico tra la fonte di alimentazione e il terreno, l'induttanza di propagazione è notevolmente ridotta. Poiché la distanza del foro e la lunghezza del foro sono notevolmente ridotte, anche l'induttanza del ciclo attraverso il foro è significativamente migliorata. Rispetto ai progetti scadenti, l'induttanza totale del ciclo di disegni molto buoni è ridotta da uno dei sette fattori principali.

Sul PCB, l'induttanza aggiuntiva attraverso il circuito del foro viene introdotta montando il condensatore, riducendo così la frequenza di risonanza del condensatore. È necessario tenerne conto quando si progetta una rete di distribuzione dell'energia (PDN). Ridurre l'induttanza del ciclo è un modo visibile per ridurre l'impedenza durante la progettazione ad alte frequenze.

Per un dato alimentatore, lo strumento PDN produce un PCB che mostra un design molto buono ad una frequenza di taglio più alta di un design molto buono o un design scadente. Questo può essere l'opposto del risultato atteso, perché il disaccoppiamento a frequenze di taglio più elevate richiede più capacità rispetto al disaccoppiamento a frequenze di taglio più basse. In casi molto ben progettati, frequenze di taglio più elevate consentono di disaccoppiare frequenze più elevate. I condensatori posizionati sul PCB hanno un effetto di disaccoppiamento sul rumore fino ad un'alta frequenza.

In caso di scarsa progettazione, il PCB che supera la frequenza di taglio inferiore non può essere disaccoppiato. Qualsiasi aggiunta aggiuntiva di condensatore, cioè l'aggiunta di un condensatore di disaccoppiamento oltre la frequenza di taglio aumenta solo il costo del BOM e non ha alcun effetto sull'effetto di disaccoppiamento. Rispetto ad un design molto buono, la progettazione della rete di distribuzione dell'energia è più suscettibile al rumore ad una particolare frequenza in caso di progettazione scadente. Ad esempio, supponiamo che un PCB a 20 strati abbia uno spessore totale di 115mil. Lo strato di alimentazione è al terzo piano. Lo spessore dallo strato (lo strato in cui si trova FPGA) allo strato 3 è 12mil. Quindi lo spessore dal basso al terzo strato è 103mil. La fonte di alimentazione e la formazione sono separati dal dielettrico dopo 3mil. La dimensione dell'induttanza del foro BGA per questo tipo di pista è di 5 nh (5 paia di fori per questo tipo di pista elettrica). Per far fronte all'area di layout ravvicinata del livello, il condensatore di disaccoppiamento associato ad esso è installato nello strato inferiore. Questo compromesso si traduce in un valore di induttanza molto elevato per il montaggio dei condensatori a causa delle lunghe perforazioni di tali impianti. Dopo l'ottimizzazione completa, l'induttanza installata del condensatore 0402 pacchetto è 2.3nH nella parte inferiore e 0.57nH allo stesso condensatore nello strato.

Per migliorare questo effetto PDN per la traccia, è possibile posizionare alcuni condensatori ad alta frequenza nel livello, mantenendo i condensatori a media frequenza e massa nella loro posizione originale nel livello inferiore. Questo design del circuito è una soluzione di taglio per PDN perché il condensatore ad alta frequenza è il condensatore che risponde al di sotto della frequenza di taglio. L'effetto della capacità dipende dall'induttanza totale del ciclo (induttanza del montaggio del condensatore + induttanza di propagazione + induttanza del foro BGA) e FPGA. È possibile posizionare il condensatore ad alta frequenza nello strato e leggermente lontano dal FPGA. L'induttanza di propagazione del condensatore posto al di fuori dell'area FPGA Breakout è 0.2nh. Questo nuovo metodo di posizionamento è vantaggioso rispetto al metodo originale di posizionamento a basso livello a causa dell'induttanza totale del ciclo (0.57nh + 0.2nh + 0.05nh =0.82nH) è più piccola dell'induttanza totale quando viene posizionato nello strato inferiore.

L'induttanza di propagazione della scheda PCB è dipendente dalla progettazione, è uniformemente presente nel mezzo tra l'alimentazione elettrica e il piano di terra. Lo spessore di 3mil o meno è progettato per ridurre l'induttanza di propagazione piana. È possibile seguire queste linee guida di progettazione per migliorare le prestazioni PDN. Ecco alcune linee guida di progettazione per importanza sequenziale, strato a livello - le linee guida di progettazione a livello sono importanti.