PCB Tecnico - Guida alla progettazione PCB ad alta velocità II: Evitare le insidie di progettazione dei sistemi a segnale misto

Abstract: Per utilizzare con successo il SOC di oggi, i progettisti a livello di scheda e di sistema devono capire come posizionare al meglio i componenti, disporre tracce e utilizzare componenti protettivi.

Sono chiamati telefoni cellulari digitali, ma contengono più funzioni analogiche rispetto ai cosiddetti telefoni cellulari analogici prima. Infatti, qualsiasi sistema che abbia bisogno di elaborare valori di stato continuo (come voce, immagine, temperatura, pressione, ecc.) avrà la sua funzione analogica, anche se nel suo nome compare la parola digitale. I PC multimediali di oggi non fanno eccezione. Hanno voce e uscita video, monitoraggio urgente della temperatura dell'unità di elaborazione centrale di riscaldamento e modem ad alte prestazioni. Questi sistemi sono anche elementi nell'elenco delle funzioni di segnale misto. Sempre di più.

La tendenza dei due sistemi porta nuove sfide alle persone che progettano ibridi. Il volume e il peso dei dispositivi portatili di comunicazione e calcolo continuano a diminuire, ma le loro funzioni continuano ad aumentare. Il sistema desktop continua a migliorare la capacità dell'unità di elaborazione centrale e la velocità delle periferiche di comunicazione. Per essere sicuri, è abbastanza difficile progettare circuiti digitali moderni evitando al contempo squillo, errori indotti dal rumore e rimbalzo potenziale di terra. Tuttavia, quando si aggiungono quelle linee di segnale analogiche che sono suscettibili al rumore vicino alle linee di dati digitali di eccitazione ad onda quadrata, il problema diventa più grave.

A livello di chip, l'attuale SOC (sistema su chip) richiede competenze in circuiti logici, circuiti analogici e progettazione termodinamica. Per utilizzare con successo questi IC, i progettisti a livello di scheda e di sistema devono capire come posizionare al meglio i componenti, instradare le tracce e utilizzare componenti protettivi.

Questo articolo descrive le insidie comuni nella progettazione corrente del sistema a segnale misto e fornisce alcune linee guida per eliminarle o rimuoverle. Tuttavia, prima di discutere questioni specifiche e fare proposte, sarà di grande aiuto dare uno sguardo dettagliato su come le due tendenze nella progettazione di sistemi - miniaturizzazione e alta velocità - influenzano questi problemi.

1. Tendenza "ad alta velocità"

Confrontando le specifiche di un PC di fascia media nel 1999 con quelle di cinque anni fa, la velocità dell'unità di elaborazione centrale è aumentata di circa un ordine di grandezza, e anche la corrente consumata dalla CPU è aumentata di circa un ordine di grandezza. Quando si combina alta velocità con alta corrente, la parte "di/dt" della relazione di V=L (di/dt) è notevolmente migliorata. Infatti, il cavo di massa lungo mezzo pollice nel circuito stampato può indurre una tensione di più di 1 volt su di esso. Per il convertitore, la linea di riferimento potenziale di terra induce tensione, che può causare l'arresto dell'operazione.

Per raggiungere queste velocità più elevate, i circuiti integrati sono progettati e realizzati con dimensioni sub-micron profonde (ad esempio 0,35 μm). Anche se questo riduce le dimensioni geometriche e si traduce in prestazioni molto più veloci, rende anche questi dispositivi più propensi a causare blocco e danni causati dai transitori. Inoltre, questi dispositivi richiedono anche una gestione energetica più rigorosa per rispettare gamme di tensione ammissibili sempre più stringenti.

L'attuale scheda di interfaccia di rete 10/100Ethernet (NIC) è un buon esempio. Il chip 10Base-T originale è un dispositivo CMOS di grandi dimensioni, che è relativamente insensibile ai danni di sovratensione. Tuttavia, il nuovo chip utilizza una larghezza di linea di 0,35μm, che è molto sensibile al blocco e ai guasti dovuti a transienti-transitori causati da energia elettrica e fulmini.

I server moderni, con architettura SMP (Symmetric Multiprocessing Capability) e le CPU che operano a frequenze di 500 MHz o superiori, sono buoni esempi di sfide legate alla distribuzione dell'energia. Non è possibile semplicemente costruire un alimentatore 5V e instradare il cablaggio al bus corrispondente. Switching con una corrente fino a 20A o 30A a 500MHz, richiede in realtà un convertitore indipendente per ogni punto di utilizzo, più una fonte di tensione primaria più grande per tutti questi convertitori Alimentazione.

La tendenza richiede la capacità hotswap, il che significa che è necessario essere in grado di inserire o rimuovere i circuiti stampati nel sistema corrente. Questo è anche per prevedere che ci saranno transitori. In questo modo, sia la scheda inserita che la scheda madre devono avere una protezione adeguata.

Sia la miniaturizzazione che le tendenze ad alta velocità hanno i loro problemi unici. Ad esempio, la distribuzione dell'energia ad alta corrente non è un grosso problema per i dispositivi piccoli, portatili e portatili. Per computer desktop e server, la durata della batteria estesa non sarà un problema. Tuttavia, i danni causati dal bloccaggio e dai transitori diventano un problema in entrambe le aree.

2. La tendenza della "miniaturizzazione"

Confrontando il telefono cellulare 1999 con il prodotto cinque anni fa, il numero di chip è molto più piccolo, il peso e il volume sono notevolmente ridotti e la durata della batteria è notevolmente estesa. In questo processo, il fattore principale è il grande progresso nelle soluzioni IC a segnale misto. Tuttavia, con la riduzione della geometria del chip, la spaziatura del cablaggio sul circuito stampato si sta avvicinando e le leggi della fisica stanno cominciando ad apparire.

Le tracce parallele si avvicinano sempre di più per produrre un accoppiamento capacitivo parassitario sempre più grande, e questo è semplicemente il risultato della relazione inversa con il quadrato della distanza. C'erano solo poche tracce di spazio, e ora molte tracce sono incluse. Di conseguenza, anche l'accoppiamento capacitivo tra tracce non adiacenti può rappresentare un problema.

I telefoni cellulari, determinati dalla loro natura, sono dispositivi che sono tenuti e utilizzati dalle persone. Nei giorni a bassa temperatura, si cammina in giro sul tappeto, quindi prendere il telefono cellulare, e poi "pop" - questo invia un impulso ad alta tensione, scarica elettrostatica (ESD) al dispositivo. Senza una protezione ESD adeguata, uno o più IC possono essere danneggiati. Tuttavia, l'aggiunta di componenti esterni per proteggere dai danni ESD andrà contro la tendenza della miniaturizzazione.

Un altro problema è la gestione dell'energia. Gli utenti di telefoni cellulari vogliono più lungo l'intervallo tra due cariche della batteria, meglio è. Ciò significa che il convertitore DC-DC deve essere molto efficiente. La tecnologia di commutazione è la sua risposta, ma in questo caso, il convertitore è diventato anche la sua potenziale fonte di rumore. Pertanto, il convertitore deve essere accuratamente selezionato, posizionato e interconnesso. Inoltre, poiché il volume è un fattore che non può essere ignorato, si dovrebbe scegliere il tipo di componenti che possono utilizzare componenti passivi con le dimensioni fisiche più piccole. Se si utilizza un regolatore lineare, si dovrebbe scegliere un tipo di dropout ultra-low che può mantenere l'uscita alla tensione minima della batteria. Ciò consente alla batteria di scaricare il più possibile prima che non fornisca più abbastanza energia.

3. Blocchi e transienti

I transienti dalla larghezza della linea ai circuiti integrati profondi sub-micron deteriorano la suscettibilità alle condizioni di sovratensione, il che significa che è necessario essere più intelligenti per proteggere questi dispositivi senza compromettere le loro prestazioni.

In un ingresso di protezione, qualsiasi componente di protezione deve apparire come un circuito ad alta impedenza in funzionamento normale. Deve essere caricato con il minor carico capacitivo possibile, ad esempio, se si vuole aggiungere un piccolo effetto al normale segnale di ingresso. Tuttavia, al momento della sovratensione, lo stesso dispositivo deve diventare il percorso principale dell'energia transitoria, portandolo lontano dall'ingresso del dispositivo protetto. Inoltre, la tensione di resistenza del dispositivo di protezione dovrebbe essere superiore alla tensione massima ammissibile sul perno che protegge. Allo stesso modo, la sua tensione di serraggio dovrebbe essere abbastanza bassa da evitare danni al dispositivo protetto. Questo perché in condizioni transitorie, la tensione sull'ingresso sarà la tensione di serraggio del dispositivo di protezione.

In precedenza, i diodi di soppressione della tensione transitoria (TVS) bloccavano efficacemente i transienti sui circuiti stampati. I diodi tradizionali (TVS) sono dispositivi di giunzione PN a stato solido che funzionano bene con tensioni fino a 5V. Hanno tempo di risposta veloce, bassa tensione di serraggio, alta capacità di sovratensione di corrente-tutte le caratteristiche desiderate. Tuttavia, il problema con il diodo TVS tradizionale è che solleverà la testa se è inferiore a 5V. Qui, la tecnologia a valanga che usano è un ostacolo. Per ottenere una tensione di stand-off inferiore a 5V, è necessario un alto grado di doping (1018/cm-3 o superiore). Questo, a sua volta, causerà una maggiore capacità e corrente di perdita, entrambi comprometteranno le alte prestazioni. I diodi TVS tradizionali hanno una capacità dipendente dalla tensione, che aumenta man mano che la tensione diminuisce. Ad esempio, a 5V, un diodo di protezione ESD tipico avrà una capacità di giunzione di 400pF. Possiamo immaginare che se un tale carico capacitivo viene applicato al nodo di ingresso di un trasmettitore o ricevitore 100Base-TEthernet, o applicato all'ingresso del bus seriale universale (USB), cosa accadrà. Inoltre, questi sono esattamente i tipi di circuiti che hanno più bisogno di protezione transitoria.

Nel caso di tensioni inferiori a 5V, i diodi TVS tradizionali non sono realmente un'opzione. Ma questo non significa che non hai scelta. Una nuova tecnologia sviluppata congiuntamente dall'Università della California, Berkeley e Semtech (NewburyPark, California) fornisce protezione transitoria e ESD fino a una tensione di lavoro di 2,8 V. È possibile scegliere uno tra una serie di dispositivi TVS, con capacità adeguata, tensione di stand-off e tensione di serraggio per soddisfare le esigenze del proprio sistema. Dopo di che, dobbiamo anche considerare dove il dispositivo dovrebbe essere posizionato sulla scheda e come collegare il circuito stampato.

L'induttanza parassitaria nel percorso di protezione può causare overshoot ad alta tensione e danneggiare l'IC. Ciò è particolarmente vero per i transienti veloci del tempo di salita, come ESD. Il transiente indotto da ESD, secondo la definizione di IEC1000-4-2, raggiungerà il suo valore di picco in meno di 1 nanosecondo (ns). Calcolato sulla base dell'induttanza della traccia di 20nH/inch, quattro tracce da 1 pollice da un impulso 10A causeranno un overshoot di 50V.

È necessario considerare tutti i possibili percorsi induttivi, compreso il percorso di ritorno a terra, il percorso tra il TVS e il circuito di protezione e il percorso dal connettore al dispositivo TVS. Inoltre, i dispositivi TVS devono essere posizionati il più vicino possibile al connettore per accoppiare i transienti ad altre tracce vicine.

Una scheda 10/100Ethernet è un sottosistema che necessita di protezione transitoria. I dispositivi utilizzati negli switch e router Ethernet sono esposti a transienti ad alta energia indotti dai fulmini. L'IC submicron di profondità utilizzato è estremamente sensibile al blocco di sovratensione nella progettazione. In un sistema tipico, l'interfaccia twisted pair utilizzata da ciascuna porta è costituita da due coppie di segnali differenti: una coppia per il trasmettitore e l'altra coppia per il ricevitore. L'ingresso del trasmettitore è solitamente il più suscettibile di danni. Ci sarà una scarica letale diversa in una coppia di linee, e sarà accoppiata capacitivamente all'EthernetIC attraverso un trasformatore.

C'è una situazione in cui la frequenza del segnale è molto alta (100Mbit/s) e la tensione di alimentazione è bassa (tipicamente 3.3V), il dispositivo di protezione deve avere un carico capacitivo molto basso e la sua tensione di stand-off è molto inferiore a 5V. C'è un altro caso in cui l'induttanza parassitaria nel percorso di protezione può causare un grande eccesso di tensione. Per massimizzare l'efficienza, il cablaggio del circuito stampato dovrebbe essere tale che il percorso tra il protettore e il circuito protetto deve essere minimizzato e anche la lunghezza del percorso tra il connettore RJ45 e il protettore deve essere minimizzata.

4. Scambio di calore / plug and play

Sempre più sistemi sono progettati per consentire l'inserimento e la rimozione di schede o spine in qualsiasi momento mentre il sistema è ancora acceso. Tali schede o spine plug-in saranno inserite o scollegate da prese che trasportano segnali, cavi di alimentazione e cavi di terra, e c'è un'alta probabilità di transienti. Inoltre, il sistema può regolare dinamicamente il proprio alimentatore per adattarsi a improvvisi aumenti o diminuzioni del carico corrente.

I telefoni cellulari o altri dispositivi elettronici portatili vengono accidentalmente collegati o scollegati dal sistema di ricarica automatica durante la ricarica. Questo produce anche transienti. Qui, oltre alla protezione transitoria, è necessaria anche la gestione dell'energia per adattarsi a improvvisi aumenti o diminuzioni del carico corrente.

L'interfaccia USB è progettata per migliorare un'interfaccia seriale ad alta velocità tra il sistema desktop e i dispositivi periferici. Inoltre, c'è una linea di alimentazione di tensione sull'interfaccia UB, che può essere utilizzata per alimentare i dispositivi periferici collegati. Se non è collegato alcun carico alla presa USB, si tratta di una presa aperta. La scarica di impulso ESD indotta dall'elettricità statica del corpo umano sulla presa sarà condotta al circuito stampato e danneggerà facilmente il controller USB.

È necessario assicurarsi che in questo bus ad alta velocità sia la linea dati che la linea elettrica siano protetti. Inoltre, sebbene la gestione dell'energia sia stata scritta nella specifica USB, la protezione ESD non è ancora stata fornita.

I dispositivi TVS possono essere utilizzati per fornire un'adeguata protezione ESD. Il posizionamento dei componenti e la lunghezza del percorso sono ancora importanti questioni progettuali. La stessa guida di layout dovrebbe essere attentamente consultata. Assicurarsi che il percorso tra il TVS e la linea protetta sia abbreviato e assicurarsi che il dispositivo TVS sia il più vicino possibile al connettore della porta.

Secondo le esigenze della specifica USB, un interruttore di distribuzione dell'energia del circuito a stato solido dovrebbe essere utilizzato per la gestione dell'energia. Nell'host PC, forniscono protezione di corrente da cortocircuito e segnalazione di errori al controller IC. Nelle periferiche USB, vengono utilizzate per la commutazione delle porte, la segnalazione degli errori e il controllo ramp-down della tensione di alimentazione.

5. Distribuzione dell'energia

Se si confronta la variazione della quantità di PC corrente con quella di 10 anni fa, l'entità dell'aumento è davvero sorprendente. Insieme al notevole aumento della frequenza di clock, PC e server si trovano in un ambiente di/dt molto elevato. Ad esempio, se L è 2.5μH e C è uguale a 4*1500μF, il transiente sul carico è dell'ordine di 200mV picco-picco e il tempo di recupero è di 50 microsecondi. Ciò che rende il problema più complicato è che la CPU entra in modalità sleep e poi si sveglia rapidamente. I transienti generati sono nell'intervallo da 20 a 30A per microsecondo, che diventa un problema per la gestione dell'energia.

Dal punto di vista del convertitore, il valore di di/dt influenza la scelta del condensatore di uscita, in particolare la resistenza di serie equivalente (ESR) e l'induttanza di serie equivalente (ESL) del condensatore. I convertitori che operano a basse frequenze necessitano di una grande capacità per memorizzare la carica tra due cicli di lavoro, che richiede l'uso di condensatori elettrolitici. Sebbene questi condensatori elettrolitici abbiano una grande capacità, hanno anche grandi ESR ed ESL, entrambi contrari all'intenzione del progettista. Inoltre, i condensatori elettrolitici sono di grandi dimensioni e non sono adatti per la tecnologia di montaggio superficiale e l'imballaggio compatto.

Esiste un modo alternativo per ridurre il valore di ESR e ESL, semplificare il processo produttivo e ridurre il volume effettivo. Il metodo è quello di utilizzare un convertitore di frequenza leggermente più alta, è possibile scegliere condensatori ceramici invece dei condensatori elettrolitici e ottenere i vantaggi di cui sopra. Allo stesso tempo, adottando la soluzione dei convertitori multifase, è possibile anche condividere la domanda di carico. Ogni convertitore richiede meno capacità di ingresso fornendo la stessa capacità di corrente totale. Un altro vantaggio è che riduce la corrente di ripple in ingresso. Nello schema di conversione monofase, la corrente di ripple in ingresso è uguale alla metà della corrente di ripple in uscita. Pertanto, per un sistema 20A, la corrente di ripple in ingresso è 10A. Tuttavia, per una soluzione di convertitore a quattro fasi, ad esempio, questa corrente di uscita sarà divisa equamente tra i quattro convertitori. Ora ogni alimentatore è 5A, e la loro corrente di ripple in ingresso è 2A. Ciò consente l'uso di condensatori di ingresso più piccoli ed economici.

DellComputers (RoundRock, Texas) ha sviluppato un controller PWM (pulse width modulation) discreto e multi-fase e convertitore DC-DC inverso per la sua serie di computer e server ad alta velocità. Il suo design è quello di soddisfare i requisiti urgenti di gestione dell'energia/potenza dell'avanzata PentiumCPU Intel. Da allora il circuito è stato integrato da Semtech su richiesta di Dell. Regolatore e convertitore multi-fase Dopo la soluzione, è necessario prestare particolare attenzione al problema di cablaggio del circuito stampato. La commutazione ad alta corrente ad alta frequenza influenzerà la differenza di tensione del piano di terra.

La parte ad alta corrente del circuito dovrebbe essere instradata prima. Si dovrebbe utilizzare un piano di terra, o si dovrebbe introdurre un'area isolata o semi-isolata del piano di terra per limitare la corrente di terra dall'entrare in un'area specifica. Il loop formato dal condensatore di ingresso e dai FET di uscita del driver di lato alto e basso contiene tutte le commutazioni ad alta corrente e transienti veloci. La connessione dovrebbe essere larga o larga e breve o breve per ridurre l'induttanza del ciclo. In questo modo ridurrà l'interferenza elettromagnetica (EMI), ridurrà la corrente iniettata nel terreno e minimizzerà l'squillo della sorgente per ottenere un segnale di commutazione del circuito gate più affidabile.

Il collegamento tra la giunzione dei due FET e l'induttore di uscita deve essere una pista larga e allo stesso tempo il più breve possibile. Il condensatore di uscita deve essere posizionato il più vicino possibile al carico. La corrente di carico transitorio veloce è fornita da questo condensatore, quindi il cavo di collegamento dovrebbe essere largo e breve per ridurre al minimo l'induttanza e la resistenza.

Il controller è posizionato meglio in un'area tranquilla del piano di terra per evitare che la corrente di impulso nel condensatore di ingresso e nel ciclo FET fluisca in questa area. I perni di riferimento a terra alti e bassi dovrebbero tornare a terra molto vicino al pacchetto dell'amplificatore di controllo. La terra analogica di piccolo segnale e la terra digitale dovrebbero essere collegati alla terra di uno dei condensatori di uscita. Non tornare mai a terra all'interno del condensatore di ingresso/ciclo FET. Il ciclo della resistenza di senso corrente dovrebbe essere mantenuto il più breve possibile.

6. Lavoro intelligente

Anche se gli esempi sopra illustrati illustrano alcuni metodi in grado di prevedere ed evitare alcune insidie dei sistemi a segnale misto, essi non sono affatto esaurienti. Ogni sistema ha le sue sfide e ogni progettista ha i suoi ostacoli unici da superare. Che si tratti di una protezione più difficile o di una gestione più rigorosa dell'energia, scegliere i componenti giusti è la prima cosa da fare. In termini di convertitori di sfida, controller di convertitore e dispositivi di protezione TVS, c'è una vasta gamma di opzioni. Posizionandoli nel posto giusto sul circuito stampato mostrerà la differenza nella gestione e protezione dell'energia. Cablaggio ben ponderato e configurazione del piano di terra sono le questioni chiave nel terzo aspetto. TV per circuiti a bassa tensione

Quando la tensione è inferiore a 5V, il tradizionale TVS di giunzione PN in realtà non funziona affatto. Tuttavia, esiste un diodo perforante potenziato (EPD) sviluppato dall'Università della California, Berkeley e Semtech.

A differenza della tradizionale struttura PN dei diodi TVS a valanga, questo dispositivo EPD utilizza una struttura a quattro strati più complessa n+p+p-n+. Utilizza doping leggero negli strati p+ e P per evitare che la giunzione inversa n+p+ entri in uno stato valanga.

La struttura npn è stata scelta al posto della struttura pnp a causa della sua maggiore mobilità elettronica e delle migliori caratteristiche di serraggio. Fabbricando accuratamente la regione P-base, il dispositivo risultante ha eccellenti caratteristiche di perdita, bloccaggio e capacità nell'intervallo di tensione da 2.8V a 3.3V.

7. Pentium con grande appetito

La specifica Pentium II di Intelâ richiede che la corrente sia aumentata da 5A a 20A entro 500ns, e il tasso di conversione è 30A per microsecondo. Il controller PWM multi-fase Semiteck SC1144 è più capace di quanto il compito richieda. Fornisce il controllo di fino a quattro convertitori DC-DC inversi per ottenere la velocità e la precisione richieste. Il DAC integrato a 5 bit consente di programmare l'uscita della tensione di uscita, da 1,8 a 2,05 V in incrementi di 50mV e da 20 a 3,5 V in incrementi di 100mV.

Questa tecnologia multifase produce quattro tensioni di uscita precise separate da uno spostamento di fase di 90 gradi. Quindi, le quattro uscite a spostamento digitale di fase vengono sommate insieme per ottenere la tensione di uscita e la capacità di corrente richieste.

Con ogni convertitore funzionante a 2MHz, i progettisti possono utilizzare condensatori ceramici invece dei condensatori elettrolitici e ottenere i vantaggi di piccole dimensioni, montabilità superficiale e ESR e ESL inferiori.