Rancangan Elektronik - Arahan desain sistem bekalan kuasa PCB

Hari ini, sukar untuk merancang sistem elektronik kelajuan tinggi tanpa memahami dengan teliti ciri-ciri cip, struktur pakej, dan sistem bekalan kuasa papan PCB. Sebenarnya, untuk memenuhi tenaga bekalan kuasa yang lebih rendah, isyarat terbalik lebih cepat, tahap integrasi yang lebih tinggi, dan banyak lagi permintaan yang menantang, banyak berjalan di depan syarikat desain elektronik dalam proses desain produk untuk memastikan integriti bekalan kuasa dan isyarat, analisis sistem kuasa menjadi banyak wang, kuasa kerja dan sumber bahan.

Analisis dan desain sistem bekalan kuasa (PDS) semakin penting dalam bidang desain sirkuit kelajuan tinggi, terutama dalam komputer, semikonduktor, komunikasi, rangkaian dan industri elektronik konsumen. Dengan peningkatan teknologi VLSI yang tidak dapat dihindari, tekanan bekalan sirkuit terintegrasi akan terus berkurang. Semakin banyak penghasil bergerak dari 130nm ke 90nm, kita boleh mengharapkan tenaga bekalan untuk jatuh ke 1.2V atau lebih rendah, sementara arus akan meningkat secara signifikan. Dari perspektif pengurangan tekanan IR DC ke kawalan pengalihan tekanan dinamik AC, trend pembangunan ini membawa cabaran besar untuk desain sistem bekalan kuasa disebabkan julat bunyi yang lebih kecil dan lebih kecil yang boleh dibenarkan.

Paparan ringkasan sistem bekalan kuasa PCB

Biasanya dalam analisis AC, impedance input antara sumber kuasa dan tanah adalah pengamatan penting untuk mengukur ciri-ciri sistem bekalan kuasa. Pengesahan pengamatan ini dalam analisis DC berkembang ke dalam pengiraan tekanan IR. Sama ada dalam analisis DC atau AC, faktor yang mempengaruhi ciri-ciri sistem bekalan kuasa ialah: lapisan PCB, bentuk lapisan lapisan papan kuasa, bentuk komponen, distribusi lubang dan pin, dan sebagainya.

Konsep impedance input antara sumber kuasa dan tanah boleh digunakan dalam simulasi dan analisis faktor di atas. Contohnya, aplikasi yang sangat luas bagi impedance input tanah bekalan kuasa adalah untuk menilai kedudukan kondensator pemisahan pada papan. Dengan bilangan tertentu kondensator pemisah yang ditempatkan di papan, resonansi karakteristik papan sendiri boleh ditahan, dengan itu mengurangi generasi bunyi, dan juga mengurangi radiasi pinggir papan untuk mengurangi masalah kesesuaian elektromagnetik. Untuk meningkatkan kepercayaan sistem bekalan kuasa dan kos penghasilan sistem yang rosak, jurutera desain sistem mesti sering mempertimbangkan bagaimana untuk memilih bentangan sistem kapasitor penyahpautan secara ekonomi dan efektif.

Sistem bekalan kuasa dalam sistem sirkuit kelajuan tinggi boleh dibahagi ke tiga subsistem fizikal: cip, struktur pakej sirkuit terintegrasi dan PCB. Grid kuasa pada cip terdiri dari lapisan logam yang bertukar. Setiap lapisan terdiri dari garis logam dalam arah X atau Y membentuk kuasa atau grid tanah. Lubang menyambung garis logam dalam lapisan berbeza.

Untuk beberapa cip prestasi tinggi, kedua-dua inti dan bekalan kuasa IO disintegrasikan dengan banyak unit penyahpautan. Struktur pakej sirkuit terintegrasi, seperti PCB miniatur, mempunyai beberapa lapisan bekalan kuasa bentuk rumit atau plat lantai. Pada permukaan atas struktur pakej, kedudukan pemasangan kapasitor penyahpautan biasanya disimpan. PCB biasanya mengandungi bekalan kuasa yang berterusan besar dan plat lantai, dan beberapa unsur kondensator pemisahan yang besar dan kecil, dan modul penyesuaian kuasa (VRM). Kabel ikatan, bumps C4 dan bola askar menyambungkan cip, pakej dan PCB bersama-sama.

Seluruh sistem bekalan kuasa seharusnya memastikan komponen sirkuit terintegrasi menyediakan tenaga stabil dalam julat normal. Namun, menukar arus dan kesan frekuensi tinggi parasit dalam sistem bekalan kuasa tersebut akan sentiasa memperkenalkan bunyi tenaga.

Sebenarnya, ia juga mengungkapkan fakta yang sangat penting, bahawa julat frekuensi kondensator pemisahan diskret yang ditempatkan pada PCB hanya boleh mencapai beberapa ratus megahertz. Walaupun frekuensi yang tinggi, inductans parasitik setiap kondensator pemisahan diskret dan inductans loop (kondensator ke cip) papan dan melalui lubang akan mengurangkan kesan pemisahan. Tidak mungkin untuk mengurangi lebih lanjut impedance input sistem bekalan kuasa hanya dengan meletakkan kondensator pemisahan diskret pada PCB. Dari beberapa ratus megahertz ke julat frekuensi yang lebih tinggi, kapasitasi interplat sistem bekalan kuasa struktur pakej, serta kapasitasi pemisahan diskret yang ditempatkan pada struktur pakej, akan bermain. Dalam julat frekuensi GHz, kondensator antara grid kuasa dalam cip dan kondensator pemisahan dalam cip adalah penyelesaian pemisahan.

Dalam satu contoh yang dipaparkan, garis merah adalah impedance input PCB selepas meletakkan beberapa kondensator pemisahan diskret di atasnya. Empat puncak resonan muncul pada 600MHz hingga 700MHz. Selepas mempertimbangkan struktur pakej, induktan struktur pakej tambahan bergerak puncak resonan ke kira-kira 450MHz, seperti yang dipaparkan dalam garis biru. Selepas penyampaian sistem bekalan kuasa cip, kondensator penyahpautan dalam cip menghapuskan puncak resonan frekuensi tinggi itu, tetapi pada masa yang sama memperkenalkan puncak resonan yang sangat lemah 30MHz, seperti yang dipaparkan dalam garis hijau. resonansi 30MHz ini akan diwakili dalam domain masa sebagai bawah tensi dalam sampul frekuensi tengah isyarat flipping frekuensi tinggi.