PCB Tecnico - Integrità del segnale di alimentazione nella progettazione e nel layout PCB

Nella progettazione PCB, generalmente ci preoccupiamo della qualità del segnale, ma a volte ci limitiamo spesso alla linea di segnale per la ricerca e trattiamo la potenza e il terreno come condizioni ideali. Anche se questo può semplificare il problema, è nel design ad alta velocità. In Cina questa semplificazione non è più fattibile. Anche se il risultato più diretto della progettazione del circuito si manifesta nell'integrità del segnale, non dobbiamo trascurare la progettazione dell'integrità di potenza per questo motivo. Perché l'integrità di alimentazione influisce direttamente sull'integrità del segnale della scheda PCB finale. Integrità di alimentazione e integrità del segnale sono strettamente correlate e, in molti casi, la causa principale della distorsione del segnale è il sistema di alimentazione. Ad esempio, il rumore di rimbalzo del suolo è troppo grande, il design del condensatore di disaccoppiamento non è adatto, l'influenza del ciclo è molto grave, la divisione di più piani di potenza / terra non è buona, il design dello strato di terra è irragionevole, la corrente è irregolare e così via.

1) Condensatore di disaccoppiamento

Sappiamo tutti che l'aggiunta di alcuni condensatori tra l'alimentazione elettrica e il terreno può ridurre il rumore del sistema, ma quanti condensatori dovrebbero essere aggiunti sul circuito stampato? Quanto è grande la capacità di ogni condensatore? Quale posizione è migliore per ogni condensatore? Simile a queste domande Generalmente non ci pensiamo seriamente, ma lo facciamo in base all'esperienza del designer, e a volte pensiamo anche che meno capacità, meglio è. Nella progettazione ad alta velocità, dobbiamo considerare i parametri parassitari del condensatore, calcolare quantitativamente il numero di condensatori di disaccoppiamento, il valore di capacità di ogni condensatore e la posizione specifica del posizionamento, per garantire che l'impedenza del sistema sia all'interno della gamma di controllo, un principio di base È il condensatore di disaccoppiamento richiesto, nessuno dei quali manca, e nessun condensatore in eccesso.

2) Rimbalzo a terra

Quando il tasso di edge del dispositivo ad alta velocità è inferiore a 0,5ns, il tasso di cambio dati dal bus dati di grande capacità è estremamente veloce. Quando genera forti increspature nello strato di potenza che possono influenzare il segnale, si verificherà il problema dell'instabilità di potenza. Quando la corrente attraverso il loop di terra cambia, viene generata una tensione a causa dell'induttanza del loop. Quando il bordo ascendente è accorciato, il tasso di cambio corrente aumenta e la tensione di rimbalzo a terra aumenta. In questo momento, il piano di terra (terra) non è più un livello zero ideale e l'alimentazione elettrica non è un potenziale DC ideale. Quando aumenta il numero di cancelli che vengono commutati contemporaneamente, il rimbalzo a terra diventa più grave. Per un bus a 128 bit, ci possono essere 50-100 linee I/O che commutano sullo stesso bordo dell'orologio. In questo momento, l'induttanza dei loop di alimentazione e di massa alimentati al driver I/O che viene commutato contemporaneamente deve essere il più basso possibile, altrimenti, una spazzola di tensione apparirà quando collegato allo stesso terreno a riposo. Il rimbalzo di terra può essere visto ovunque, come chip, pacchetti, connettori o circuiti stampati, che possono causare rimbalzo a terra, causando problemi di integrità dell'alimentazione.

Dal punto di vista dello sviluppo tecnologico, il bordo crescente del dispositivo diminuirà e la larghezza del bus aumenterà solo. L'unico modo per mantenere il rimbalzo del terreno ad un livello accettabile è quello di ridurre l'induttanza della distribuzione del suolo e del potere. Per il chip, significa passare a un chip array, posizionare più potenza e messa a terra possibile e collegare il cablaggio al pacchetto il più breve possibile per ridurre l'induttanza. Per l'imballaggio, significa spostare l'imballaggio dello strato per rendere più vicina la distanza tra i piani di terra di potenza, come utilizzato negli imballaggi BGA. Per il connettore, significa utilizzare più pin di massa o riprogettare il connettore per avere un alimentatore interno e un piano di massa, come un cavo a nastro basato su connettore. Per il circuito stampato, significa rendere i piani di potenza e di terra adiacenti il più vicino possibile. Poiché l'induttanza è proporzionale alla lunghezza, rendere il collegamento tra l'alimentazione elettrica e il terreno il più breve possibile ridurrà il rumore del suolo.

3) Sistema di distribuzione dell'energia

Nel layout e nella progettazione PCB, la progettazione di integrità dell'alimentazione è una questione molto complicata, ma come controllare l'impedenza tra il sistema di alimentazione (alimentazione e piano di terra) negli ultimi anni è la chiave per la progettazione. In teoria, minore è l'impedenza tra i sistemi di alimentazione, migliore è, minore è l'impedenza, minore è l'ampiezza del rumore e minore è la perdita di tensione. Nella progettazione effettiva, possiamo determinare l'impedenza target che speriamo di raggiungere specificando la tensione massima e la gamma di alimentazione, e quindi, regolando i fattori rilevanti nel circuito, l'impedenza di ogni parte del sistema di alimentazione (relativa alla frequenza) viene avvicinata all'impedenza target.