PCBニュース - PCB上の配電システムとは

一般に、PDSは、電源の電力をシステム内のデバイスおよびコンポーネントに分配するサブシステムを指す。配電システムは、建物の照明システム、オシロスコープ、PCBボード、パッケージ、チップ、内部電力分配システムのようなすべての電気システムに存在する。

配電系統 PCBボード

代表的な製品において、配電システムは、電圧調整モジュール（VRM）からPCBへのすべての相互接続、パッケージング、およびチップ上にある。これは4つのセクションに分けられる。

電圧調整モジュール（VRM）は、そのフィルタキャパシタ－電源を含む

PCB上のバルク容量、高周波デカップリング容量、相互接続線、スルーホール、パワー/グランドプレーン-- PCB上の配電システム

パッケージングされたピン、ボンディングワイヤ、相互接続および埋め込まれたコンデンサ－パッケージ化された配電系統

オンチップ相互接続とキャパシタンスオンチップ配電システム

本稿は，2）pcb上の配電システムに焦点を当てた。残りはこの記事の範囲外です。

PCB上の配電システムは、PCBが電源を必要とする様々なチップおよびデバイスに電源の電力を分配するシステムを指す。本論文では，pcb上の配電システムに焦点を当て，以下に示す配電系統またはpdsはpcb上の配電系統を指す。

配電系統の役割は、適切かつ安定した電圧を伝達することであり、PCB上のすべての場所の電圧は、任意の負荷条件の下で正しいまま安定することができることを意味する。配電系統の正しい安定運転の研究を，電力健全性問題と呼ぶ。

パワーインテグリティ

電力健全性は、システムの電源が配電システムを通過した後に電源を必要とするデバイスポートの電源の要件を満たす程度を指す。

一般的に言えば、PCB上の電源を必要とする構成要素は、動作電源のための特定の要件を有する。チップを例として、通常は3つのパラメータとして表現されます。

最終的な電源電圧：チップの電源ピンが耐えることができる最終的な電源電圧に言及します。チップの電源電圧は、必要な範囲を超えてはならないさもなければ、チップは破損することがある。この範囲内では、チップの機能は保証されないチップがある時間のためにこのパラメタの限界値にあるならば、チップの長期安定性は影響を受けます。

推奨動作電圧：チップを正常にかつ確実に動作させるために、チップ電源ピンが満たさなければならない電圧範囲を指す。これは通常、V電源±1 %で表される。

電源ノイズ：チップのチップの電源ピン電圧で許容されるリップルノイズは、確実に動作し、通常、そのピークツーピーク値によって表される。

「制限供給電圧」および「推奨動作電圧」要件は通常、チップに対して提供されるが、「電源ノイズ」は別個に提供されず、パラメータ「推奨動作電圧」に含まれ得る。「パワーノイズ」はこの論文の焦点であり、後で別々に論じられる。

以上の例を説明するため、電源の一貫性の問題は、配電系統を通過した後のチップの異なる電源ピンにおいて、システム電源が「限界電源電圧」、「推奨動作電圧」、「電源ノイズ」の要件を満たしているかを論じることである。

配電系統の3つの特性

配電システムの物理的な媒体は、コネクタ、ケーブル、トレース、パワープレーン、GNDプレーン、ビア、半田、パッド、チップピン等を含む。配電系統の目的は、電源を必要とする装置にシステム電源の電力を供給することであり、安定した電圧および完全な電流ループを提供することであるので、電力分配システムの3つの電気的特性に焦点を絞るだけである。

抵抗特性

抵抗は直流電流に対する導体の妨害効果を表す物理量であり、通常はRによって表される。主な物理的特徴は、電流Iが流れると、電気エネルギーを熱エネルギー（I 2 R）に変換し、両端に直流電圧降下（IR）を発生させることである。

抵抗は導体の温度、材料、長さ、断面積に関連する導体自体の特性であり、式1.1で決定される。

--導体の抵抗率

--導体の長さ

--導体の断面積

その中で

導体の物理的性質と温度に関連した。金属の抵抗率は一般に温度と共に増加する。

電源配線のどこにも抵抗が存在する：ケーブルとコネクタにはdc抵抗と接触抵抗が存在し，銅配線，電力層，積層，貫通孔に分布抵抗が存在し，はんだ，パッド，チップピンにdc抵抗が存在し，それらの間には接触抵抗が存在する。

これらの抵抗器は、電流が流れると、2つの効果を生じる。

DC電圧降下（IR低下）：この効果は、電源供給網に沿って徐々に電源電圧を減少させ、または基準グランドの電圧を増加させ、それにより、電源供給を必要とするデバイスのポートの電圧を低下させ、結果として電源の健全性問題を生じる。

熱動力散逸：熱電散逸は電源から熱へ電力を変換し、システム温度を上昇させ、システムの安定性と信頼性を損なう。

図1.1に示すように、配電系統に対する抵抗および負荷に相当する。

ここで、Vsourceは電源電圧、Voutputは出力電圧、RSは電源抵抗、R 1は電源経路上の分布抵抗、R 2はリターンパス上の分布抵抗である。ループ電流がIであると仮定すると、負荷の電源電圧は式1.2で示される。

RS上の電圧降下IRSは、電源の出力電圧Voutputを低下させ、電源経路上の電圧降下IR 1は負荷の供給電圧Vccを低下させ、リターンパス上の電圧降下IR 2は負荷のGNDレベルを上昇させる。上記の抵抗R 1、R 1、R 2の電圧降下は、負荷の電源電圧Vcc GNDを減少させ、結果として電源の完全性問題をもたらす。

配電系統の抵抗による熱損失は、電源の電力を熱に変換し、放散させ、システムの効率を低下させる。同時に、加熱はシステムの温度上昇を引き起こし、いくつかの装置（例えば、電解コンデンサ）の寿命を減少させ、その結果、システムの安定性及び信頼性に影響を及ぼす。いくつかの領域の過度の電流密度はまた、局所的な温度が上昇し続けるかまたは燃え尽きることも生じさせる。

これらの2つの効果はシステムに有害であり，その影響は抵抗値の大きさに比例することが分かった。

インダクタンス特性

インダクタンスは、導体の抵抗を交流にする物理量である。導体に電流が流れると、導体の周囲に磁界が形成される。電流が変化すると、磁場も変化し、変化する磁場は導体の両端に誘起電圧を形成する。電圧の極性は、誘導電流が元の電流の変化を妨げさせる。導体の周りの磁場の変化が他の導体の電流の変化によって引き起こされるときに、誘導電圧も導体において、生じられる。そして、電圧の極性は誘導された電流が原作の電流の変更を妨げる原因になる。電流の変化に対するこの導体の効果はインダクタンスと呼ばれ、前者は自己インダクタンスLと呼ばれ、後者は相互インダクタンスMと呼ばれる。

対称性：2つの導体A及びBは、寸法、形状及び相対位置にかかわらず、導体Aと導体Bとの相互インダクタンスは、導体Bに対する導体Bの相互インダクタンスと等しく、すなわち相互インダクタンスは、2つの導体に等しく共通である

相互インダクタンスは自己インダクタンスより小さい：任意の2導体の相互インダクタンスはいずれの導体の自己インダクタンスよりも小さい。