PCBブログ - PCBボード給電システムの分析と設計

今日、チップ、パッケージ構造、PCBボードの電源システム特性を徹底的に把握しなければ、高速PCBボード電子システムの設計は成功しにくい。実際には、より低い電源電圧、より速い信号反転速度、より高い集積度、およびますます困難になる多くの要件を満たすために、電子設計の最前線にある多くの企業が製品設計の過程で電源供給を確保しています。信号の完全性、大量の資金、人力と物力はすべて電力供給システムの分析に投入された。電源システム（PDS）の分析と設計は、特にコンピュータ、半導体、通信、ネットワーク、消費電子業界において、高速回路設計の分野でますます重要になっている。超大規模集積回路技術のさらなる発展に伴い、集積回路の電源電圧は低下し続けるだろう。130 nm技術から90 nm技術に移行するメーカーが増えるにつれ、電源電圧は1.2 V以下に低下し、電流も大幅に増加することが予想される。直流IR電圧降下から交流動的電圧変動制御までの観点から、許容されるノイズ範囲がますます小さくなるため、この発展傾向は電力供給システムの設計に大きな挑戦をもたらした。

PCBボード電源システム設計の概要

通常、交流解析では、電源接地間の入力インピーダンスは電源システムの特性を測定する重要な観測値である。この観測値の決定は、DC分析におけるIR降下の計算に発展した。直流分析においても交流分析においても、電源システムの特性に影響を与える要因としては、PCBボードの階層化、電源ボードの層平面の形状、コンポーネントのレイアウト、およびビアとピンの分布などがある。電源グラウンド間の入力インピーダンスの概念は、上述の要因のシミュレーションと分析に用いることができる。例えば、電源対接地入力インピーダンスの非常に広範な応用は、プレート上のデカップリングコンデンサの位置を評価することである。基板上に一定数のデカップリングキャパシタを配置することにより、基板自体の独特な共振を抑制し、ノイズの発生を低減し、基板のエッジ放射を低減し、電磁互換性の問題を緩和することができる。給電システムの信頼性を高め、システムの製造コストを下げるためには、システム設計エンジニアは、どのように経済的かつ効果的にデカップリングキャパシタのシステムレイアウトを選択するかを常に考慮しなければならない。高速回路システムにおける電源システムは、通常、チップ、集積回路パッケージ構造、PCBボードの3つの物理サブシステムに分けることができる。チップ上の電力網は交互に配置されたいくつかの金属層からなる。各金属層はX方向またはY方向の金属棒で構成され、電源または接地メッシュを形成し、異なる層の金属棒を貫通孔で接続する。一部の高性能チップでは、多くのデカップリングユニットがコアまたはIOの電源に統合されています。集積回路パッケージ構造は、縮小されたPCBボードのように、複雑な形状の電源や接地面がいくつかあります。パッケージ構造の上面には、通常、デカップリング用コンデンサの取り付け位置がある。PCBボードは通常、連続した大面積電源と接地面、いくつかの大きさの離散的デカップリング電気容器アセンブリと電力整流器モジュール（VRM）を含む。ボンディングワイヤ、C 4バンプ、および半田ボールは、チップ、パッケージ、およびPCBを接続します。電源システム全体では、各集積回路装置が通常の範囲内で安定した電圧を提供することを保証する必要があります。しかし、これらの電源システムでは、スイッチング電流と寄生高周波効果は常に電圧ノイズを導入する。その電圧変化は、Isla Vはデバイス上で観察される電圧変動であり、Isla Iはスイッチング電流であると計算することができる。Zは、装置で観察される電源システム全体の電源と接地との間の入力インピーダンスである。電圧変動を減らすためには、電源と接地の間の低抵抗を維持してください。DCの場合、Zは純抵抗になるため、低抵抗は低電源IR電圧降下に対応する。ACの場合、低抵抗はスイッチング電流による過渡ノイズも低減する。もちろん、これには、広い周波数帯域でZを小さく保つ必要があります。電源と接地は信号リターンと基準平面としてよく使用されるため、電源システムと信号分配システムの間には密接な関係があることに注意してください。しかし、空間的な制約のため、本文では同期スイッチングノイズ（IO SSO）が導入される電源システムにおけるノイズ現象と電流回路制御問題については議論しない。次のセクションでは、信号システムは無視され、電源システムの解析にのみ専念します。

直流IR降下

チップグリッドの特徴的なサイズが小さく（数ミクロン以下）、チップ中の抵抗損失が深刻であるため、チップ中のIR電圧降下は広く研究されている。以下の場合、PCB上のIR電圧降下（数十〜数百ミリボルトの範囲内）も高速システム設計により大きな影響を与える。電源ボード層では、スイス将棋構造、ネックダウン構造、動的配線により、ボード平面が分割されている（図1）、電源プレート層に電流が流れるデバイスピン、ビア、溶接ボール、C 4ポチ電源プレートの数不足、電源プレートの厚さ不足、電流経路のアンバランスなど。システム設計には、低電圧、高電流、およびより厳しい電圧フロート範囲が必要です。例えば、高密度及び高ピン数を有するデバイスは、多数のビア及び逆パッドにより、チップパッケージ構造及びPCB基板の電力分布層上にいわゆるスイス将棋構造効果を形成することが多い。スイス将棋の構造は多くの高抵抗の微小金属領域を生み出している。電源システムによっては、現在PCBに送信されているコンポーネントの電圧が設計要件を下回る可能性がある高抵抗の電流経路が存在します。したがって、良好な直流−赤外電圧降下シミュレーションは、電力供給システムが許容する電圧降下範囲を推定する鍵である。様々な可能性を分析することにより、事前、後置、配線の設計ソリューションまたは規則を提供します。レイアウトエンジニア、システムエンジニア、信号完全性エンジニア、電源設計エンジニアも、PCB上の電源および接地網テーブルごとに設計規則チェックを実行する最後のステップとして、IR電圧降下分析を制約マネージャに組み込むことができます。ツール（DRC）を確認します。自動ソフトウェア解析によるこの設計プロセスは、視覚的な検査や経験では発見できない複雑な電源システム構造上のレイアウトや配線の問題を回避することができます。図2は、IR電圧降下解析が高性能PCB上の電源システムにおける臨界電圧と電流分布を正確に位置決めできることを示している。

AC電源接地インピーダンス解析

一対の金属板が平板キャパシタを構成していることを多くの人が知っているので、電源板層の特性は平板キャパシタを提供し、電源電圧の安定性を確保することだと考えています。周波数が低く、信号波長がパネルのサイズよりもはるかに大きい場合、配電板層と床は確かにコンデンサを形成している。しかし、周波数が増加すると、電力平面層の特性は複雑になり始める。より正確には、一対の平板は平板伝送路システムを構成する。電源と地面の間のノイズ、または対応する電磁場は、伝送線の原理に従ってプレートの間を伝播します。ノイズ信号がパネルのエッジに伝播すると、高周波エネルギーの一部が放射されるが、より大きな部分が反射されて戻る。プレートからの異なる境界の複数回の反射はPCBプレートにおける共振現象を構成する。AC解析では、PCBボードの電源対接地インピーダンス共振はユニークな現象である。比較のために、純電気容器と純インダクタンスのインピーダンス特性も描画した。プレートのサイズは30〜20 cm、プレート間の間隔は100ミクロン、充填媒体はFR 4材料である。プレート上のパワー整流器モジュールは3 nHインダクタに交換された。純粋な容量インピーダンス特性を示す20 nFキャパシタである。図から分かるように、プレートに電力整流モジュールがない場合、数十メガバイトの周波数範囲では、プレートのインピーダンス特性（赤線）は容量（青線）と同じである。100 MHz以上では、プレートのインピーダンス特性は電気的である（緑の線に沿って）。数百メガバイトの周波数範囲に達した後、いくつかの共振ピークの出現はプレートの共振特性を示し、プレートは純インダクタンスではなくなった。これまで、低抵抗電源システム（直流から交流へ）は低電圧変動を得る鍵であることが明らかになってきた：インダクタンス効果の減少、容量効果の増加、およびこれらの共振ピークの除去または減少が設計目標である。

電源システムのインピーダンスを低減するためには、設計ガイドラインに従ってください。

1）電源とフロア間の距離を減らす、

2）板の寸法を増加する、

3）充填媒体の誘電率を高める、

4）複数組の電源層と床層を使用する。

しかし、製造またはその他の設計上の考慮のため、設計エンジニアは電源システムのインピーダンスを変更するために、より柔軟で効果的な方法を使用する必要があります。インピーダンスを低減し、これらの共振ピークを除去するために、PCB上に離散的デカップリング電気容器を配置することは一般的な方法となっている。

Sigrity PowerSIを使用して電源システムの入力インピーダンスを計算するには：

a.プレートにはパワー整流器モジュールがなく、デカップリングコンデンサも配置されていない。

b.電力整流器モジュールは短絡としてシミュレーションされ、プレートにデカップリングコンデンサは配置されていない。

c.短絡を用いて電力整流器モジュールをシミュレーションし、プレート上にデカップリングコンデンサを配置する。

プレート上に離散的なデカップリングされた電気容器を配置することで、設計者は電源システムのインピーダンスを柔軟に調整して、低い電源対地上ノイズを実現することができる。しかし、どのように配置位置を選択するか、どのくらい選択するか、どのようなデカップリングキャパシタを選択するかは、依然として一連の設計問題である。そのため、通常は特定の設計のためにデカップリングソリューションを求め、適切な設計ソフトウェアを使用してPCBボード上の電源システムを広くシミュレーションする必要があります。