PCB 블로그 - PCB 보드 전력 공급 시스템의 분석 및 설계

오늘날 칩, 패키징 구조, PCB 보드의 전원 시스템 특성을 철저히 파악하지 않으면 고속 PCB 보드 전자 시스템의 설계가 성공하기 어렵다.사실, 더 낮은 전력 전압, 더 빠른 신호 반전, 더 높은 통합성 및 점점 더 까다로운 요구 사항을 충족시키기 위해 전자 설계의 최전선에 있는 많은 회사들이 제품 설계 과정에서 전원 공급을 보장합니다.그리고 신호의 완전성, 대량의 돈, 인력과 물력이 전력 공급 시스템의 분석에 투입되었다.전원 시스템 (PDS) 의 분석 및 설계는 특히 컴퓨터, 반도체, 통신, 네트워크 및 소비자 전자 산업에서 고속 회로 설계 분야에서 점점 더 중요해지고 있습니다.초대규모 집적회로 기술이 진일보 발전함에 따라 집적회로의 전원 전압은 계속 낮아질 것이다.점점 더 많은 제조업체들이 130nm 기술에서 90nm 기술로 전환함에 따라 전원 전압이 1.2V 또는 그 이하로 떨어지고 전류도 크게 증가할 것으로 예상된다.직류 IR 압력이 AC 동적 전압 변동 제어로 떨어지는 관점에서 볼 때, 허용되는 소음 범위가 점점 줄어들기 때문에, 이러한 발전 추세는 전력 공급 시스템의 설계에 큰 도전을 가져왔다.

PCB 보드 전원 시스템 설계 개요

일반적으로 AC 분석에서 전원 접지 간의 입력 임피던스는 전원 시스템의 특성을 측정하는 중요한 관측 값입니다.이 관측치의 확정은 DC 분석에서 IR이 하락하는 계산으로 이어졌다.DC 또는 AC 분석에서 전원 시스템의 특성에 영향을 주는 요소는 PCB 보드의 계층화, 전원 보드 레이어 평면의 모양, 구성 요소의 레이아웃, 오버홀 및 핀의 분포 등입니다. 전원 공급 장치 사이의 입력 임피던스 개념은 위의 요소에 대한 시뮬레이션 및 분석에 사용될 수 있습니다.예를 들어, 전원 대지 입력 임피던스의 매우 광범위한 응용 프로그램 중 하나는 플레이트에서 디커플링 콘덴서의 위치를 평가하는 것입니다.회로기판에 일정량의 디커플링 콘덴서를 배치함으로써 회로기판 자체의 독특한 공명을 억제하여 소음의 발생을 줄일 수 있으며 회로기판의 가장자리 복사를 감소시켜 전자기 호환성 문제를 완화시킬 수 있다.전력 공급 시스템의 신뢰성을 높이고 시스템의 제조 원가를 낮추기 위해 시스템 설계 엔지니어는 어떻게 경제적이고 효과적으로 디커플링 콘덴서의 시스템 배치를 선택할 것인가를 자주 고려해야 한다.고속 회로 시스템의 전원 시스템은 일반적으로 칩, 집적 회로 패키징 구조 및 PCB 보드의 세 가지 물리적 하위 시스템으로 나눌 수 있습니다.칩의 전력망은 번갈아 배치된 몇 층의 금속층으로 구성되어 있다.각 금속 레이어는 X 또는 Y 방향의 금속 막대로 구성되어 전원 또는 접지 그리드를 형성하고 구멍을 통해 다른 레이어의 금속 막대를 연결합니다.일부 고성능 칩의 경우 많은 디커플링 유닛이 코어 또는 IO의 전원에 통합됩니다. 집적 회로 패키징 구조는 마치 축소된 PCB 보드처럼 여러 겹의 복잡한 모양의 전원이나 접지 평면이 있습니다.패키징 구조의 상단 표면에는 일반적으로 디커플링 커패시터의 설치 위치가 있습니다.PCB 보드에는 일반적으로 대규모 전원 공급 장치와 접지 평면이 연속적으로 포함되며 일부 크기의 분리 분리 된 전기 용기 구성 요소와 VRM (전력 정류기 모듈) 이 있습니다.접합선, C4 볼록 블록 및 용접구는 칩, 패키징 및 PCB를 연결합니다.전체 전원 시스템은 각 집적 회로 장치에 대해 정상 범위의 안정적인 전압을 제공해야 합니다.그러나 이러한 전원 시스템에서는 스위치 전류와 기생 고주파 효과가 항상 전압 소음을 도입한다.그 전압 변화는 계산할 수 있다: 여기서 Isla V는 장치에서 관찰된 전압 파동이고 Isla I는 스위치 전류이다.Z는 장치에서 관찰된 전체 전원 시스템의 전원과 땅 사이의 입력 임피던스입니다.전압 변동을 줄이기 위해 전원과 접지 사이의 저항을 낮추십시오.DC의 경우 Z가 순수 저항으로 변하기 때문에 저저항은 저전력 IR 전압 강하에 대응합니다.AC의 경우 저저항은 스위치 전류에서 발생하는 순간적 소음도 낮춘다.물론 이것은 Z가 넓은 주파수 대역에서 비교적 작게 유지해야 한다.전원 공급 장치와 접지는 신호 반환 및 참조 평면으로 자주 사용되므로 전원 시스템과 신호 분배 시스템 사이에 밀접한 관계가 있습니다.그러나 공간 제한으로 인해 이 문서에서는 전원 시스템에 동기식 스위치 노이즈(IO SSO)가 도입하는 노이즈 현상과 전류 회로 제어 문제를 다루지 않습니다.다음 섹션에서는 신호 시스템을 무시하고 전원 시스템 분석에만 초점을 맞춥니다.

DC IR 하락

칩 전력망의 특징 크기가 매우 작기 때문에 (몇 마이크로미터 심지어 더 작음) 칩의 저항 손실이 심각하기 때문에 칩의 IR 전압 강하가 광범위하게 연구되었다.다음과 같은 경우 PCB의 IR 전압 강하 (수십에서 수백 밀리볼트 범위에서) 도 고속 시스템 설계에 더 큰 영향을 미칠 수 있습니다.전원 패널 레이어에서는 Swiss Chess 구조, Neck Down 구조 및 동적 경로설정으로 인해 패널 평면이 구분됩니다 (그림 1).전원 기판 층에 전류가 통과하는 부품 핀, 오버홀, 용접구와 C4 볼록점 전원 기판 수량 부족, 전원 기판 두께 부족, 전류 경로 불균형 등;시스템 설계에는 저전압, 고전류 및 더 엄격한 전압 부동 범위가 필요합니다.예를 들어, 고밀도와 높은 핀 수를 가진 부품은 종종 대량의 오버홀과 역용접판으로 인해 칩 패키징 구조와 PCB 보드의 전력 분포층에 이른바 스위스 장기 구조 효과를 형성한다.스위스 장기의 구조는 많은 고저항의 미소 금속 영역을 발생시켰다.전원 시스템에 따라 이러한 저항이 높은 전류 경로가 있으므로 현재 PCB의 구성 요소로 전송되는 전압이 설계 요구사항보다 낮을 수 있습니다.따라서 양호한 직류-적외선 전압 강하 시뮬레이션은 전력 공급 시스템이 전압 강하를 허용하는 범위를 추정하는 관건이다.다양한 가능성을 분석하여 앞뒤 배치 및 경로설정을 위한 설계 솔루션 또는 규칙을 제공합니다.레이아웃 엔지니어, 시스템 엔지니어, 신호 무결성 엔지니어 및 전원 설계 엔지니어도 PCB의 각 전원 및 접지망 테이블에 대한 설계 규칙 검사의 마지막 단계로 IR 강하 분석을 구속 관리자에 포함시킬 수 있습니다.도구(DRC)를 확인합니다.소프트웨어 분석을 자동화하는 이 설계 프로세스는 눈으로 확인하거나 경험적으로 발견할 수 없는 복잡한 전원 시스템 구조상의 레이아웃과 케이블 연결 문제를 방지합니다.그림 2에 따르면 IR 압력 강하 분석은 고성능 PCB의 전원 시스템에서 임계 전압과 전류 분포를 정확하게 파악할 수 있다.

AC 전원 접지 임피던스 분석

많은 사람들이 금속판 한 쌍이 평면 콘덴서를 구성한다는 것을 알고 있기 때문에 전원 판층의 특성은 평면 콘덴서를 제공하여 전원 전압의 안정을 확보하는 것이라고 생각한다.주파수가 낮고 신호파가 패널의 크기보다 길면 전원판층과 바닥에는 확실히 콘덴서가 형성된다.그러나 주파수가 증가하면 전력 평면 계층의 특성이 복잡해지기 시작합니다.더 정확히 말하면 한 쌍의 태블릿은 태블릿 전송선 시스템을 구성한다.전원과 지면 사이의 소음 또는 그에 상응하는 전자장은 전송선의 원리에 따라 판 사이에 전파된다.노이즈 신호가 패널의 가장자리로 전파되면 고주파 에너지의 일부가 방사되지만 더 큰 부분은 반사됩니다.판의 서로 다른 경계에서 여러 번 반사되는 것은 PCB 판의 공명 현상을 구성한다.AC 분석에서 PCB 보드의 전원 공급 장치 대지 임피던스 공명은 독특한 현상입니다.비교를 위해 순수 전기 용기와 순수 전기 감각의 임피던스 특성도 그렸다.판의 크기는 30센티미터에서 20센티미터이고, 판 사이의 간격은 100마이크로미터이며, 충전 매체는 FR4 재료이다.보드의 전력 정류기 모듈은 3nH 센서로 교체됩니다.그것은 순수 커패시터 임피던스 특성을 나타내는 20nF 커패시터입니다.그림에서 볼 수 있듯이, 패널에 전력 정류기 모듈이 없을 때, 수십 메가바이트의 주파수 범위 내에서 태블릿의 임피던스 특성 (빨간색 선) 은 커패시터 (파란색 선) 와 같다.100MHz 이상에서는 보드의 임피던스 특성이 녹색 선을 따라 감지 특성입니다.수백 메가바이트의 주파수 범위에 도달한 후, 몇 개의 공진봉의 출현은 평면의 공진 특성을 나타냈으며, 평면은 더 이상 순수한 전기 감각이 아니다.지금까지 저저항 전원 시스템 (직류에서 교류까지) 이 저전압 파동을 얻는 관건이라는 것은 분명하다. 감지 효과 감소, 용량 효과 증가, 이러한 공명 피크를 제거하거나 줄이는 것이 설계 목표이다.

전원 시스템의 임피던스를 줄이려면 다음과 같은 설계 지침을 따라야 합니다.

1) 전원 공급 장치와 바닥 계층 간의 거리 감소

2) 보드 크기를 늘립니다.

3) 충전 매체의 개전 상수 증가;

4) 다중 쌍의 전원 및 바닥 레이어를 사용합니다.

그러나 제조 또는 기타 설계 고려 사항으로 인해 설계 엔지니어는 전원 시스템의 임피던스를 변경하기 위해 보다 유연하고 효과적인 방법을 사용해야 합니다.임피던스를 줄이고 이러한 공명 피크를 제거하기 위해 PCB에 이산화 디커플링 용기를 배치하는 것은 일반적인 방법이 되었습니다.

전원 시스템의 입력 임피던스는 Sigrity PowerSI로 계산됩니다.

a. 패널에 전력 정류기 모듈이 없고 디커플링 콘덴서도 설치되지 않았습니다.

b. 전력 정류기 모듈은 단락으로 시뮬레이션되고 보드에 디커플링 콘덴서가 설치되어 있지 않습니다.

c. 단락으로 전력 정류기 모듈을 시뮬레이션하고 판에 디커플링 콘덴서를 배치한다.

회로 기판에 분리 분리 전기 용기를 배치하면 설계자가 전원 시스템의 임피던스를 유연하게 조정하여 낮은 전원 대지 소음을 실현할 수 있다.그러나 배치 위치를 어떻게 선택하는지, 얼마나 선택하는지, 어떤 디커플링 콘덴서를 선택하는지는 여전히 일련의 설계 문제이다.따라서 일반적으로 특정 설계에 대한 디커플링 솔루션을 찾고 적절한 설계 소프트웨어를 사용하여 PCB 보드의 전원 시스템을 광범위하게 시뮬레이션할 필요가 있습니다.