Teknik PCB - Bagaimana untuk seimbang rancangan bekalan kuasa PCB

Apabila merancang papan PCB yang lebih kompleks, anda perlu membuat beberapa rancangan pertukaran. Kerana perbezaan ini, terdapat beberapa faktor yang mempengaruhi rancangan rangkaian distribusi kuasa PCB.

Bagaimana untuk seimbang rancangan bekalan kuasa PCB

Apabila kondensator dipasang pada PCB, terdapat inductans loop tambahan, yang berkaitan dengan pemasangan kondensator. Nilai induksi loop bergantung pada desain. Induktansi loop bergantung pada lebar dan panjang garis dari kondensator ke lubang, panjang garis yang menyambung kondensator ke pesawat kuasa/tanah, jarak antara dua lubang, diameter lubang, pad askar kondensator, dll. Figur 1 menunjukkan grafik pemasangan pelbagai kondensator.

Titik kunci dalam rancangan untuk mengurangkan induktansi sirkuit kondensator:

Lubang sepatutnya diletakkan sebanyak mungkin dengan kondensator. Kurangkan ruang kuasa/lubang tanah. Jika boleh, gunakan pasangan bekalan kuasa/lubang tanah secara selari. Contohnya, dua lubang dengan polaritas bertentangan semasa seharusnya ditempatkan sebanyak mungkin, dan lubang dengan polaritas semasa seharusnya ditempatkan sebanyak mungkin.

Sambungkan lubang ke pins kapasitasi dengan wayar pendek, lebar.

Letakkan kondensator di permukaan PCB (atas dan bawah) sebanyak mungkin dengan pesawat kuasa/tanah yang sepadan. Ini mengurangkan jarak antara lubang. Guna elektrolit tipis antara kuasa/tanah.

Seterusnya adalah tiga kes yang berbeza desain, untuk pemasangan kondensator dan induksi penyebaran. FIG. 2 menunjukkan perkenalan induktan ke dalam loop dalam berbagai syarat reka.

Kes 1 - Ralat yang teruk

Penjana tidak fokus pada rancangan distribusi kuasa (PDN).

Ruang lubang tidak optimum.

Jarak antara bekalan kuasa dan pesawat tanah tidak optimum.

Jarak kabel panjang antara lubang dan pin kondensator.

Untuk saiz induksi loop keseluruhan, induksi loop datang terutama dari garis yang ditetapkan, kerana panjang garis rancangan yang buruk adalah lima kali lebih panjang daripada dua kes lain (rancangan yang baik dan rancangan yang sangat baik). Jarak dari asas dimana kondensator dipasang ke pesawat dekat juga faktor utama dalam saiz induktan loop. Kerana ini tidak optimum (10 mil), kesan kabel pada saiz induktan seluruh loop adalah sangat besar. Juga, kerana desainer menggunakan 10 juta bahan dielektrik antara sumber kuasa dan tanah, faktor sekunder dalam induktan loop berasal dari induktan penyebaran. Jarak antara lubang tanpa optimasi bukanlah sebanyak panjang lubang. Kesan lubang menjadi lebih besar bila lubang lebih panjang.

Kes 2 - Ralat yang baik

Para desainer fokus pada desain rangkaian distribusi kuasa sebahagian (PDN).

Penjara lubang yang lebih baik. Panjang lubang tetap sama.

Jarak yang lebih baik antara bekalan kuasa dan tahap tanah.

Jarak kawat dari lubang ke pin kondensator adalah optimum.

Induktansi sirkuit wayar masih merupakan kontributor utama kepada induntasi sirkuit keseluruhan. Namun, induktan sirkuit yang direka dengan baik adalah kira-kira 2.7 kali lebih kecil daripada sirkuit yang direka buruk. Kerana para desainer mengurangkan kelebihan dielektrik dari 10 juta ke 5 juta, penyebaran induktan telah diperingatkan setengah. Kesan perforasi sedikit diperbaiki dengan mengurangi jarak antara perforasi.

Para perancang memperhatikan rekaan PDN.

Penjara dan panjang lubang yang lebih baik.

Jarak antara bekalan kuasa dan tanah juga telah sepenuhnya optimum.

Jarak kawat dari lubang ke pin kondensator adalah optimum.

Induktan rancangan yang sangat baik adalah kira-kira 7.65 kali kurang daripada rancangan yang buruk. Ini dicapai dengan mengurangkan jumlah tebal pada PCB dari permukaan bawah di mana kondensator dipasang ke lapisan rata yang dekat disebabkan panjang kabel yang dikurangi. Kerana para desainer telah optimizasikan tebal lapisan elektrolit antara sumber kuasa dan tanah, induksi penyebaran telah dikurangkan jauh. Sebagaimana ruang lubang dan panjang lubang sangat dikurangkan, induksi loop melalui lubang juga meningkat dengan signifikan. Berbanding dengan rancangan yang buruk, total induksi loop rancangan yang sangat baik dikurangkan oleh salah satu dari tujuh faktor utama.

Pada PCB, inductans tambahan melalui loop lubang diperkenalkan dengan meletakkan kondensator, dengan itu mengurangkan frekuensi resonan kondensator. Anda mesti mempertimbangkan ini bila merancang rangkaian distribusi kuasa (PDN). Kekurangan induksi loop adalah cara yang kelihatan untuk mengurangkan impedance apabila merancang pada frekuensi tinggi.

Untuk bekalan kuasa tertentu, alat PDN menghasilkan PCB yang memaparkan rancangan yang sangat baik pada frekuensi pemutusan yang lebih tinggi daripada rancangan yang sangat baik atau rancangan yang buruk. Ini mungkin bertentangan dengan hasil yang dijangka, kerana pemisahan pada frekuensi pemutusan yang lebih tinggi memerlukan lebih kapasitas daripada pemisahan pada frekuensi pemutusan yang lebih rendah. Dalam kes yang direka dengan baik, frekuensi pemotongan yang lebih tinggi bermakna frekuensi yang lebih tinggi boleh dipasang. Kapasitor yang ditempatkan pada PCB mempunyai kesan pemisahan pada bunyi hingga frekuensi tinggi.

Dalam kes rancangan yang teruk, PCB yang melebihi frekuensi pemotongan yang lebih rendah tidak boleh dipasang. Setiap tambahan kondensator tambahan, iaitu, menambah kondensator pemisah diluar frekuensi pemisah hanya meningkatkan biaya BOM dan tidak mempunyai kesan pada kesan pemisah. Berbanding dengan rancangan yang sangat baik, rancangan rangkaian distribusi kuasa lebih susah untuk bunyi pada frekuensi tertentu dalam kes rancangan yang buruk. Sebagai contoh lain, anggap PCB 20 lapisan mempunyai keseluruhan tebal 115 juta. Lapisan bekalan kuasa berada di tingkat tiga. Lebar dari lapisan (lapisan di mana FPGA) ke lapisan 3 adalah 12mil. Maka tebal dari bawah ke lapisan ketiga ialah 103mil. Sumber kuasa dan formasi dipisahkan oleh dielektrik selepas 3mil. Saiz induktansi lubang BGA bagi jenis trek ini adalah 5 nh (5 pasang lubang bagi jenis trek kuasa ini). Untuk menghadapi kawasan bentangan tertutup lapisan, kondensator pemisahan yang berkaitan dengannya dipasang dalam lapisan bawah. Perubahan ini menghasilkan nilai induksi yang sangat tinggi untuk pemasangan kondensator disebabkan perforasi panjang pemasangan tersebut. Selepas optimizasi penuh, induktan yang dipasang bagi kondensator pakej 0402 adalah 2.3nH di bawah dan 0.57nH di kondensator yang sama dalam lapisan.

Untuk meningkatkan kesan PDN ini untuk trek, anda boleh letakkan beberapa kondensator frekuensi tinggi dalam lapisan, sementara menyimpan frekuensi tengah dan kondensator besar dalam kedudukan asalnya dalam lapisan bawah. Rancangan sirkuit ini adalah penyelesaian pemotong untuk PDN kerana kondensator frekuensi tinggi adalah kondensator yang bertindak di bawah frekuensi pemotong. Kesan kapasitasi bergantung pada total induktansi loop (induktansi penyelesaian kondensator + induktansi penyebaran +induktansi lubang BGA) dan FPGA. Anda boleh meletakkan kondensator frekuensi tinggi dalam lapisan dan sedikit jauh dari FPGA. Induktansi penyebaran kondensator yang diletakkan diluar kawasan Breakout FPGA ialah 0. 2nh. Kaedah penempatan baru ini adalah berguna dibandingkan dengan kaedah penempatan tahap rendah asal kerana indunsi seluruh loop (0. 57nh + 0. 2nh + 0. 05nh =0. 82nH) lebih kecil daripada indunsi keseluruhan bila diletakkan dalam lapisan bawah.

Induktan penyebaran papan PCB bergantung pada rancangan, ia berada secara serentak di dalam medium antara bekalan kuasa dan pesawat tanah. Ketebaran 3 mil atau kurang direka untuk mengurangi induksi penyebaran pesawat. Anda boleh mengikut arah desain ini untuk meningkatkan prestasi PDN. Berikut adalah beberapa panduan desain untuk penting urutan, lapisan ke lapisan - panduan desain pada lapisan penting.