Data PCB - Analisi dan Rancangan Sistem Sumber Kuasa Papan PCB

Hari ini, desain kelajuan tinggi Papan PCB sistem elektronik sukar untuk berjaya tanpa menangkap dengan teliti ciri-ciri sistem bekalan kuasa cip, struktur pakej, dan Papan PCB. Sebenarnya, untuk memenuhi tenaga bekalan yang lebih rendah, kelajuan pembukaan isyarat lebih cepat, integrasi lebih tinggi, dan kebutuhan yang semakin menantang, ramai syarikat di hadapan rancangan elektronik berada dalam proses rancangan produk untuk memastikan bekalan kuasa. Dan integriti isyarat, banyak wang, manpower, dan sumber bahan dilaburkan dalam analisis sistem bekalan kuasa. The analysis dan design of power supply systems (PDS) is becoming more and more important in the field of high-speed circuit design, terutama dalam komputer, semikonduktor, komunikasi, rangkaian, dan industri elektronik konsumen. Dengan peningkatan teknologi VLSI yang tidak dapat dihindari, voltas bekalan sirkuit terpasang akan terus berkurang. Semakin banyak pembuat bergerak dari teknologi 130nm ke teknologi 90nm, ia boleh dijangka bahawa tenaga bekalan akan jatuh ke 1.2V atau lebih rendah, semasa semasa juga akan meningkat dengan signifikan. Dari perspektif jatuh tekanan IR DC ke kawalan pengalihan tekanan dinamik AC, kerana julat bunyi yang dibenarkan semakin kecil, trend pembangunan ini telah membawa cabaran besar untuk desain sistem bekalan kuasa.

Paparan ringkasan sistem bekalan kuasa papan PCB

Biasanya dalam analisis AC, impedance input antara tanah bekalan kuasa adalah pengamatan penting yang digunakan untuk mengukur ciri-ciri sistem bekalan kuasa. Pendekatan pengamatan ini berkembang ke dalam pengiraan jatuh IR dalam analisis DC. Sama ada dalam analisis DC atau AC, faktor yang mempengaruhi ciri-ciri sistem bekalan kuasa ialah: lapisan papan PCB, bentuk lapisan lapisan papan kuasa, bentuk komponen, dan distribusi unit synonyms for matching user input dan pins, dan sebagainya. Koncept pengendalian input diantara tanah kuasa boleh digunakan dalam simulasi dan analisis faktor di atas. Contohnya, aplikasi yang sangat luas bagi impedance input kuasa-ke-tanah adalah untuk menilai kedudukan kapasitor yang menyahlekap pada papan. Dengan bilangan tertentu kondensator penyahpautan yang ditempatkan di papan, resonansi unik papan sirkuit sendiri boleh ditahan, dengan itu mengurangi generasi bunyi, dan juga mengurangi radiasi pinggir papan sirkuit untuk mengurangi masalah kompatibilitas elektromagnetik. Untuk meningkatkan kepercayaan sistem bekalan kuasa dan mengurangkan biaya penghasilan sistem, jurutera desain sistem mesti sering mempertimbangkan bagaimana untuk memilih bentangan sistem kapasitor penyahpautan secara efektif biaya. Sistem bekalan kuasa dalam sistem sirkuit kelajuan tinggi biasanya boleh dibahagi ke tiga subsistem fizikal: cip, struktur pakej sirkuit terintegrasi, dan papan PCB. Grid kuasa pada cip terdiri dari beberapa lapisan logam yang ditempatkan secara alternatif. Setiap lapisan logam terdiri dari garis logam dalam arah X atau Y untuk membentuk grid kuasa atau tanah, dan vias menyambung garis logam lapisan berbeza. Untuk beberapa cip prestasi tinggi, banyak unit penyahpautan disertakan ke dalam bekalan kuasa inti atau IO. Struktur pakej litar terintegrasi, seperti papan PCB yang dikurangkan, mempunyai beberapa lapisan tenaga atau pesawat tanah dengan bentuk kompleks. Pada permukaan atas struktur pakej, biasanya terdapat kedudukan pemasangan untuk menyambung kondensator. The Papan PCB biasanya mengandungi kuasa kawasan besar terus menerus dan pesawat tanah, serta beberapa komponen kondensator pemisahan yang besar dan kecil, and a power rectifier module (VRM). Bonding wayar, bumps C4, dan bola solder menyambung cip, pakej, dan PCB bersama-sama. Seluruh sistem bekalan kuasa mesti memastikan setiap peranti sirkuit terintegrasi disediakan dengan tenaga stabil dalam julat normal. Namun, menukar arus dan kesan frekuensi tinggi parasit dalam sistem bekalan kuasa sentiasa memperkenalkan bunyi tenaga. Variasi tekanannya boleh dihitung: di mana Î`V adalah fluktuasi tekanan yang dilihat pada peranti dan Î`I adalah aliran. Z adalah impedance input antara bekalan kuasa dan tanah seluruh sistem bekalan kuasa seperti yang dilihat pada peranti. Untuk mengurangi perubahan tegangan, teruskan perlawanan rendah antara kuasa dan tanah. Dalam kes DC, kerana Z menjadi perlawanan murni, perlawanan rendah sepadan dengan turun tenaga IR bekalan kuasa rendah. Dalam kes AC, resistensi rendah juga mengurangkan bunyi sementara yang dijana oleh semasa tukar. Sudah tentu, ini memerlukan Z untuk disimpan kecil melalui band frekuensi luas. Perhatikan bahawa kuasa dan tanah sering digunakan sebagai semula isyarat dan pesawat rujukan, jadi terdapat hubungan dekat antara sistem bekalan kuasa dan sistem distribusi isyarat. Namun, disebabkan keterangan ruang, fenomena bunyi dan masalah kawalan loop semasa dalam sistem bekalan kuasa yang diperkenalkan oleh bunyi penyukaran sinkronik (IO SSO) tidak akan dibahas di sini. Seksyen berikut akan mengabaikan sistem isyarat dan fokus hanya pada analisis sistem bekalan kuasa.

Jatuhan IR DC

Oleh kerana saiz ciri-ciri Grid Kuasa cip adalah sangat kecil (beberapa mikron atau lebih kecil), kehilangan perlawanan dalam cip adalah serius, jadi jatuh tegangan IR dalam cip telah dipelajari secara luas. Dalam kes berikut, titik tekanan IR pada PCB (dalam julat dari puluh hingga ratusan milivolts) juga akan mempunyai kesan yang lebih besar pada desain sistem kelajuan tinggi. Pada lapisan papan kuasa, pesawat papan terbahagi kerana struktur Swiss-Chess, struktur Neck-Down, dan kawat dinamik (Figur 1); pins peranti, vias, bola solder, dan C4 bumps melalui mana semasa melewati lapisan papan kuasa Bilangan tidak cukup papan bekalan kuasa, tebal tidak cukup plat bekalan kuasa, laluan semasa tidak seimbang, dll.; desain sistem memerlukan tenaga rendah, arus tinggi, dan julat terapung tenaga yang lebih ketat. Contohnya, peranti dengan densiti tinggi dan kiraan pin tinggi akan sering membentuk kesan struktur Swiss-Chess pada struktur pakej cip dan lapisan distribusi kuasa papan PCB disebabkan sejumlah besar vias dan anti-pads. Struktur Swiss-Chess menghasilkan banyak kawasan logam kecil yang melawan tinggi. Bergantung pada sistem bekalan kuasa, terdapat laluan semasa bertentangan tinggi, bahawa tekanan yang kini dihantar ke komponen pada PCB mungkin lebih rendah daripada keperluan desain. Oleh itu, simulasi jatuh tekanan IR DC yang baik adalah kunci untuk menghargai julat jatuh tekanan yang boleh dibenarkan bagi sistem bekalan kuasa. Menyediakan penyelesaian atau peraturan desain untuk pre- dan post-placement dan routing melalui analisis pelbagai kemungkinan. jurutera bentuk, jurutera sistem, jurutera integriti isyarat, dan jurutera rancangan kuasa juga boleh memasukkan analisis drop IR dalam pengurus ketat sebagai langkah terakhir dalam melakukan pemeriksaan peraturan rancangan pada setiap senarai rangkaian kuasa dan tanah pada PCB. Alat Pemeriksaan (DRC). Rancangan ini mengalir melalui analisis perisian automatik boleh menghindari masalah bentangan dan kabel pada struktur sistem bekalan kuasa kompleks yang tidak dapat ditemui oleh pemeriksaan visual atau bahkan pengalaman. Figure 2 menunjukkan bahawa analisis jatuh IR boleh menentukan dengan tepat distribusi tekanan kritik dan arus dalam sistem bekalan kuasa pada PCB prestasi tinggi.

Analisi Impedansi Tanah Kuasa AC

Banyak orang tahu bahawa pasangan plat logam membentuk kondensator plat, jadi mereka berfikir bahawa karakteristik lapisan plat kuasa adalah untuk menyediakan kapasitasi plat untuk memastikan kestabilan voltas bekalan kuasa. Apabila frekuensi rendah dan panjang gelombang isyarat jauh lebih besar daripada saiz panel, lapisan papan kuasa dan lantai membentuk kondensator. Namun, apabila frekuensi meningkat, ciri-ciri lapisan pesawat kuasa mula menjadi rumit. Lebih tepatnya, sepasang plat rata membentuk sistem garis penghantaran plat rata. Bunyi antara bekalan kuasa dan tanah, atau medan elektromagnetik yang sepadan, menyebar antara papan mengikut prinsip garis trasmis. Apabila isyarat bunyi menyebar ke pinggir panel, sebahagian tenaga frekuensi tinggi diterangkan, tetapi sebahagian yang lebih besar diterangkan kembali. Multiple reflections from different boundaries of the plate constitute the resonance phenomenon in the Papan PCB. Dalam analisis AC, resonansi kekuatan ke tanah impedance papan PCB adalah fenomena unik. Untuk perbandingan, ciri-ciri impedance kondensator murni dan indutan murni juga dipotong. Saiz papan ialah 30cm×20cm, jarak antara papan ialah 100um, dan media penuh ialah bahan FR4. Modul penyesuaian kuasa pada papan diganti dengan induktor 3nH. Ia adalah kondensator 20nF yang menunjukkan karakteristik impedance yang bersih-bersih kondensatif. Ia boleh dilihat dari gambar bahawa apabila tiada modul pembetus kuasa di papan, dalam julat frekuensi puluh megabyte, ciri-ciri impedance (garis merah) plat rata sama dengan kapasitasi (garis biru). Lebih dari 100MHz, ciri-ciri impedance slab adalah induktif (sepanjang garis hijau). Selepas mencapai julat frekuensi beberapa ratus megabyte, penampilan beberapa puncak resonansi menunjukkan ciri resonansi plat, dan plat tidak lagi bersih induktif. Sekarang, it is clear that a low-resistance power supply system (from DC to AC) is the key to obtaining low voltage fluctuations: reducing inductive effects, meningkat kesan kapasitif, dan menghapuskan atau mengurangkan puncak resonan itu adalah tujuan desain.

Untuk mengurangi pengendalian sistem bekalan kuasa, beberapa arah desain patut diikuti:

1) Kurangkan jarak antara bekalan kuasa dan lapisan lantai;

2) meningkatkan saiz plat;

3) Perbaiki konstan dielektrik medium penuh;

4) Guna beberapa pasangan kuasa dan lapisan lantai.

Namun, disebabkan pembuatan atau beberapa pertimbangan rancangan lain, jurutera rancangan juga perlu menggunakan beberapa kaedah yang lebih fleksibel dan berkesan untuk mengubah impedance sistem bekalan kuasa. Untuk mengurangi impedance dan menghapuskan puncak resonansi itu, meletakkan kondensator pemisahan diskret pada PCB telah menjadi satu kaedah biasa.

Impedasi input sistem bekalan kuasa dihitung dengan Sigrity PowerSI:

a. Tiada modul penyesuaian kuasa, dan tiada kondensator penyesuaian ditempatkan di papan.

b. Modul penyesuaian kuasa disimulasikan dengan sirkuit pendek, dan tiada kondensator pemisahan ditempatkan di papan.

c. Modul penyesuaian kuasa disimulasi dengan sirkuit pendek, dan kondensator pemisahan ditempatkan di papan.

Letakkan kondensator pemisahan diskret pada papan memberikan perancang fleksibiliti untuk menyesuaikan impedance sistem bekalan kuasa untuk mencapai bunyi kuasa-ke-tanah lebih rendah. Namun, bagaimana untuk memilih di mana untuk meletakkannya, berapa banyak yang perlu dipilih, dan apa jenis kapasitor pemisahan untuk memilih tetap satu siri isu desain. Oleh itu, ia sering diperlukan untuk mencari penyelesaian penyepatan untuk rancangan tertentu dan menggunakan perisian rancangan yang sesuai dan melakukan simulasi luas sistem bekalan kuasa pada Papan PCB.