電子設計 - PCBボード設計パワーインテグリティ解析

イン PCB設計, 安定した電圧を信号に供給することと、適切な電圧分布とは、電源システムの設計における2つの基本的な目標である. 信号完全性問題の出現, 反射, クロストーク, etc. 電力系統の安定性に影響する. チップ動作電圧の連続的低減と結合される, 電源の変動はシステムの正常な動作に影響する. パワーインテグリティ解析は、PCB 100内の安定で信頼性の高い電源を確保することである.

パワーインテグリティ解析の概観

パワー完全性は、システムの電力波形の品質を指す。IC出力スイッチング速度が増加すると、信号のエッジ率、すなわち信号の立ち上がりおよび立ち下がり時間は急速に減少し、電力線は寄生インダクタンスによりかなりの電圧降下を受ける。1 ns未満の信号エッジレートについては、PCB上のパワー層と接地層との間の電圧は、回路基板上の任意の場所で異なり、チップ電源の安定性に影響を与え、チップのロジックを引き起こす

電力系統の不安定性を引き起こす要因は、同期スイッチングノイズ、非理想的な電源インピーダンスの影響、共振およびエッジ効果である。一般に、同期スイッチングノイズは電源ノイズの主な原因である。接地リードとプレーンの寄生インダクタンスにより、スイッチング電流の作用によってある一定の電圧変動が生じる。

即ち, デバイスの基準グラウンドはもはやゼロレベルではない. したがって, ドライブエンドによって送られるグランドレベルは変更されます. 対応する干渉波形が現れる. 干渉波形の位相はグラウンドノイズと同じである. スイッチング信号波形, 接地ノイズの影響は、信号の立ち下がりエッジが遅くなる原因となる受信側で, 信号波形はまた、グラウンドノイズによって妨害される. しかし, 干渉波形の位相はグラウンドノイズの位相と逆である. 加えて, いくつかのストレージコンポーネント, パワーノイズとグラウンドノイズが予期せぬデータ反転を引き起こす可能性がある.

高周波回路では、パワープレーンに多数の寄生パラメータがある。これらの寄生パラメータは、LC共振ネットワークまたは多くのインダクタンスおよびコンデンサからなる共振キャビティとして見ることができる。ある周波数では、これらのコンデンサおよびインダクタンスは共振し、それによってパワー層のインピーダンスに影響を与える。共振効果に加えて、パワープレーンおよびグランドプレーンのエッジ効果も、電源設計において注意を要する問題である。ここでのエッジ効果は、エッジ反射及び放射現象を指す。回路基板の端部の銅クラッド面の大きさは制限されるので、電磁干渉問題が起こりやすい。デカップリングコンデンサは、通常、エッジ放射効果を低減し、パワープレーンのノイズを抑制する目的を達成するために、プロジェクトに追加される。

同期スイッチングノイズ

同期スイッチングノイズ (SSN) is mainly produced by the synchronous switching output accompanying the device. スイッチング速度が速い, 瞬時電流変化の重要性, 電流ループ上のインダクタンスが大きいほど, 発生する同期スイッチングノイズがより厳しい. 同期スイッチングノイズの大きさは、I/集積回路の特性, パワープレーンと接地面のインピーダンス PCBボード, PCB上の高速デバイスのレイアウトと配線.

異なる戻りパスに従って、同期スイッチングノイズをオフチップスイッチングノイズおよびオンチップスイッチングノイズに分けることができる。オフチップスイッチングノイズは、信号スイッチによって戻された電流が信号線及び電力／接地面を通過するときに発生するノイズを指すスイッチング状態が変化すると、電流リターンパスは信号線の代わりに電源及びグランドを通過し、このときのノイズはオンチップスイッチングノイズである。チップ内のスイッチングノイズを低減することは、主にスイッチング信号が流れる経路のインダクタンスを減少させたり、スイッチング信号の変化率を遅くして誘導電圧を減少させることによって達成される。オフチップスイッチングノイズを低減することは、タイミング要件を満たすことができる最も遅いエッジレートチップを使用して、チップの内部ドライバおよび同時スイッチの数のスイッチング速度を減少させることによって達成することができるまたはパッケージループインダクタンスを減少させることによって、信号の結合インダクタンスおよび接地への電力供給を増加させること；電源および接地が電流ループを共有し、リターンパスの等価インダクタンスを減少させるために、パッケージ内にバイパスコンデンサを使用することもできる。

PCB電力分配 デザイン

大きな範囲では、電源ノイズは非理想的な配電システムから生じる。配電システムは、システム内のすべてのデバイスに十分な電力を供給することである。これらのデバイスは、十分な電力損失を必要とするだけでなく、電源の安定性のための特定の要件を有する。実際のパワープレーンには常にインピーダンスがあるので、瞬間的な電流が通過すると、電圧降下が起こり、電力変動につながる。大部分のデバイスは正常電圧の±±5 %以内で電力変動を必要とする。各デバイスが正常に動作することを保証するためには、パワープレーンのインピーダンスをできるだけ低減しなければならない。比較的高い動作周波数の場合、インダクタンスに起因する抵抗及び交流インピーダンスの直流インピーダンスを計算する必要がある。電源のインピーダンスを制御するとき、低抵抗率と短い、太い電力線を有する材料を使用して、電源の内部抵抗を低減することができる。電源は可能な限りグランドに近くなければならず、デカップリングコンデンサを使用して電源の抵抗を低減することができる。そして、インダクタンス、それによって、電源インピーダンスを減らす。