Teknik PCB - Panduan Raka PCB Kelajuan Tinggi II: Lupakan tumpukan rancangan sistem isyarat-campuran

Abstrakt: Untuk berjaya menggunakan SOC hari ini, perancang aras papan dan aras sistem mesti memahami bagaimana untuk menempatkan komponen terbaik, jejak bentangan, dan menggunakan komponen perlindungan.

Mereka dipanggil telefon sel digital, tetapi mereka mengandungi lebih banyak fungsi analog daripada yang disebut telefon sel analog sebelumnya. Sebenarnya, mana-mana sistem yang perlu memproses nilai keadaan terus menerus (seperti suara, imej, suhu, tekanan, dll.) akan mempunyai fungsi analognya, walaupun perkataan digital muncul dalam namanya. Komputer multimedia hari ini bukanlah pengecualian. Mereka mempunyai input dan output suara dan video, pengawasan suhu mendesak unit pemprosesan pusat pemanasan, dan modem prestasi tinggi. Sistem ini juga item dalam senarai fungsi isyarat campuran. Juga lebih dan lebih.

Tenderasi kedua-dua sistem membawa cabaran baru kepada orang yang merancang hibrid. Volum dan berat peranti komunikasi dan komputer bergerak terus berkurang, tetapi fungsi mereka terus meningkat. Sistem desktop terus meningkatkan kapasitas unit pemprosesan pusat dan kelajuan periferik komunikasi. Untuk memastikan, ia agak sukar untuk merancang papan sirkuit digital modern sambil mengelak bunyi, ralat yang disebabkan bunyi, dan potensi tanah melompat. Bagaimanapun, apabila anda menambah garis isyarat analog yang susah untuk bunyi yang dekat dengan garis data digital yang menarik gelombang kuasa dua, masalah menjadi lebih serius.

Pada aras cip, SOC semasa (sistem pada cip) memerlukan keahlian dalam sirkuit logik, sirkuit analog, dan rancangan termodinamik. Untuk berjaya menggunakan ICs ini, perancang aras papan dan aras sistem perlu memahami bagaimana untuk menempatkan komponen terbaik, jejak laluan, dan menggunakan komponen perlindungan.

Artikel ini menggambarkan terjadian umum dalam rancangan sistem isyarat-campuran semasa dan menyediakan beberapa panduan untuk membersihkannya atau membuangnya. Bagaimanapun, sebelum membincangkan isu-isu khusus dan membuat cadangan, ia akan membantu besar untuk melihat secara terperinci bagaimana kedua-dua trends dalam sistem desain-miniaturizasi dan kelajuan-tinggi-mempengaruhi isu-isu ini.

1. "Kelajuan tinggi" trend

Mengbandingkan spesifikasi PC julat tengah pada tahun 1999 dengan yang lima tahun yang lalu, kelajuan unit pemprosesan pusatnya telah meningkat dengan kira-kira tertib besar, dan semasa dikonsumsi oleh CPU juga meningkat dengan kira-kira tertib besar. Apabila anda menggabungkan kelajuan tinggi dengan semasa tinggi, bahagian "di/dt" hubungan V=L (di/dt) telah meningkat jauh. Sebenarnya, kawat tanah separuh inci panjang dalam papan sirkuit boleh mengakibatkan tenaga lebih dari 1 volt di atasnya. Untuk penyukar, garis rujukan potensi tanah akan mengakibatkan tenaga, yang mungkin menyebabkan operasi berhenti.

Untuk mencapai kelajuan yang lebih tinggi ini, ICs dirancang dan dihasilkan dengan dimensi sub-mikron yang dalam (contohnya, 0.35μm). Walaupun ini mengurangkan saiz geometri dan menghasilkan prestasi yang lebih cepat, ia juga membuat peranti ini lebih mungkin menyebabkan penyelesaian dan kerosakan disebabkan oleh peredaran. Lagipun, peranti-peranti ini juga memerlukan pengurusan tenaga yang lebih ketat untuk mematuhi julat tegangan yang semakin ketat yang dibenarkan.

Ethernet network interface card (NIC) is a good example. Cip 10Base-T asal adalah peranti CMOS saiz besar, yang relatif tidak sensitif kepada kerosakan tekanan berlebihan. Namun, cip baru menggunakan lebar garis 0.35μm, yang sangat sensitif untuk kunci dan kegagalan disebabkan transient-transient disebabkan oleh tenaga elektrik dan kilat.

Pelayan modern, dengan arkitektur SMP (Kemampuan Pemprosesan Berlipat Simmetrik), dan CPU yang berfungsi pada frekuensi 500MHz atau lebih adalah contoh yang baik untuk cabaran pembagian tenaga. Anda tidak boleh hanya membina bekalan kuasa 5V dan lalui kabel ke bas yang sepadan. Bertukar dengan arus hingga 20A atau 30A pada 500MHz, ia memerlukan penukar independen untuk setiap titik penggunaan, ditambah sumber tenaga utama yang lebih besar untuk semua kuasa penyediaan penukar ini.

Tenderasi memerlukan kemampuan pertukaran panas, yang bermakna anda perlu boleh masukkan atau buang papan sirkuit dalam sistem semasa. Ini juga untuk memprediksi bahawa akan ada transisi. Dengan cara ini, kedua-dua papan sisip dan papan ibu mesti mempunyai perlindungan yang tepat.

Kedua-dua miniaturisasi dan trends kelajuan tinggi mempunyai masalah unik mereka sendiri. Contohnya, distribusi tenaga semasa tinggi bukanlah masalah besar untuk peranti kecil, portable, dan komputer tangan. Untuk komputer desktop dan pelayan, kehidupan bateri lanjutan tidak akan menjadi masalah. Namun, kerosakan disebabkan oleh penguncian dan penggantian menjadi masalah di kedua-dua kawasan ini.

2. Tenderasi "miniaturisasi"

Mengbandingkan telefon sel 1999 dengan produk lima tahun yang lalu, nombor cip jauh lebih kecil, berat badan dan volum sangat dikurangi, dan kehidupan bateri jauh dipenjarakan. Dalam proses ini, faktor utama adalah kemajuan besar dalam penyelesaian IC isyarat-campuran. Namun, dengan pengurangan geometri cip, jarak kawat pada papan sirkuit semakin dekat, dan undang-undang fizik mula muncul.

Jejak paralel semakin dekat dan semakin dekat untuk menghasilkan pasangan kapasitif parasit yang lebih besar dan lebih besar, dan ini hanya hasil dari hubungan terbalik dengan kuasa dua jarak. Dulu hanya ada beberapa jejak ruang, dan sekarang banyak jejak termasuk. Sebagai hasilnya, persatuan kapasitatif antara jejak yang tidak bersebelahan boleh menimbulkan masalah.

Telefon bimbit, ditentukan oleh sifat mereka, adalah peranti yang dipegang dan digunakan oleh manusia. Pada hari suhu rendah, and a berjalan-jalan di atas karpet, kemudian mengambil telefon bimbit, dan kemudian "pop"-ini menghantar denyut tenaga tinggi, discharge elektrostatik (ESD) ke peranti. Tanpa perlindungan ESD yang betul, satu atau lebih ICs mungkin rosak. Namun, menambah komponen luaran untuk melindungi daripada kerosakan ESD akan menentang trend miniaturisasi.

Masalah lain ialah pengurusan tenaga. Pengguna telefon bimbit mahu selang antara dua muatan bateri lebih panjang, semakin baik. Ini bermakna penyukar DC ke DC mesti sangat efisien. Penukaran teknologi adalah jawapannya, tetapi dalam kes ini, penukar juga telah menjadi sumber bunyi potensi sendiri. Oleh itu, penukar mesti dipilih, ditempatkan dan disambung dengan berhati-hati. Juga, kerana volum adalah faktor yang tidak dapat diabaikan, anda patut pilih jenis komponen yang boleh menggunakan komponen pasif dengan saiz fizik yang paling kecil. Jika anda menggunakan regulator linear, anda patut pilih jenis keluar ultra-rendah yang boleh menyimpan output pada tegangan bateri minimum. Ini membenarkan bateri untuk melepaskan sebanyak mungkin sebelum ia tidak lagi menyediakan kuasa yang cukup.

3. Mengunci dan sementara

Beralih dari lebar baris ke ICs sub-mikron dalam memperburuk susceptibiliti kepada keadaan tekanan berlebihan, yang bermakna anda perlu lebih bijak untuk melindungi peranti ini tanpa mempengaruhi prestasi mereka.

Dalam input perlindungan, mana-mana komponen perlindungan mesti muncul sebagai litar impedance tinggi di bawah operasi normal. Ia mesti dimuatkan dengan muatan kapasitatif yang paling kecil mungkin, contohnya, jika ia hendak menambah kesan kecil kepada isyarat input normal. Bagaimanapun, pada saat ketegangan berlebihan, peranti yang sama mesti menjadi laluan utama tenaga sementara, membawa ia jauh dari input peranti yang dilindungi. Juga, tenaga tahan peranti perlindungan sepatutnya lebih tinggi daripada tenaga maksimum yang boleh dibenarkan pada pin yang ia perlindungi. Dengan cara yang sama, tekanan pegangannya seharusnya cukup rendah untuk mencegah kerosakan pada peranti yang dilindungi. Ini kerana dalam keadaan sementara, tekanan pada input akan menjadi tekanan memeluk peranti perlindungan.

Sebelum ini, dioda penghalang tegangan sementara (TVS) secara efektif memeluk sementara pada papan sirkuit cetak. Diod tradisional (TVS) adalah peranti sambungan PN keadaan-kuat yang berfungsi dengan tegangan yang rendah seperti 5V. Mereka mempunyai masa balas cepat, tekanan tekanan rendah, kemampuan mengangkat semasa tinggi-semua ciri-ciri yang diinginkan. Namun, masalah dengan dioda tradisional TVS adalah ia akan mengangkat kepalanya jika ia berada di bawah 5V. Di sini, teknologi alun yang mereka gunakan adalah halangan. Untuk mencapai tensi Stand-off di bawah 5V, darjah tinggi doping (1018/cm-3 atau lebih) diperlukan. Ini akan menyebabkan kapasitas dan arus kebocoran yang lebih tinggi, yang keduanya akan merusak prestasi tinggi. Diod TVS tradisional mempunyai kapasitas bergantung pada tenaga, yang meningkat semasa tenaga menurun. Contohnya, pada 5V, diod perlindungan ESD biasa akan mempunyai kapasitas sambungan 400pF. Kita boleh bayangkan jika muatan kapasitatif seperti itu dilaksanakan pada nod input penghantar atau penerima 100Base-TEthernet, atau dilaksanakan pada input bas seri universal (USB), apa yang akan berlaku. Selain itu, ini adalah jenis sirkuit yang paling memerlukan perlindungan sementara.

Dalam kes tekanan di bawah 5V, dioda tradisional TVS bukanlah pilihan. Tapi ini tak bermakna awak tiada pilihan. Teknologi baru yang dikembangkan bersama-sama oleh Universiti California, Berkeley dan Semtech (NewburyPark, California) menyediakan perlindungan transient dan ESD hingga tegangan kerja 2.8V. Anda boleh memilih salah satu diantara serangkaian peranti TVS, dengan kapasitasi yang sesuai, tegangan stand-off, dan tegangan penutup untuk memenuhi keperluan sistem and a sendiri. Selepas itu, kita juga perlu mempertimbangkan di mana peranti perlu diletakkan di papan dan bagaimana untuk mengarahkan papan sirkuit.

Induktan parasit dalam laluan perlindungan boleh menyebabkan tekanan tinggi melebihi dan merusak IC. Ini terutama berlaku untuk pemindahan masa naik cepat, seperti ESD. Transient disebabkan oleh ESD, menurut definisi IEC1000-4-2, akan mencapai nilai puncaknya dalam kurang dari 1 nanosekund (ns). Dikira berdasarkan induktan jejak 20nH/inci, empat jejak 1 inci dari denyut 10A akan menyebabkan lebih dari 50V.

Anda mesti pertimbangkan semua laluan induktif yang mungkin, termasuk laluan kembali tanah, laluan antara TVS dan sirkuit perlindungan, dan laluan dari sambungan ke peranti TVS. Juga, peranti TVS sepatutnya ditempatkan sebanyak mungkin kepada sambungan untuk pasangan transien ke jejak lain di dekat sini.

Ethernet board is a subsystem that needs transient protection. Peranti yang digunakan dalam tukar Ethernet dan penghala terkena tenaga tinggi, penerbangan kilat. IC submikon kedalaman yang digunakan sangat sensitif kepada kunci tekanan berlebihan dalam desain. Dalam sistem biasa, antaramuka pasangan berputar yang digunakan oleh setiap port terdiri dari dua pasangan isyarat berbeza-satu pasangan untuk penghantar dan pasangan lain untuk penerima. Input penghantar biasanya paling susah untuk kerosakan. Akan ada pelepasan mematikan yang berbeza dalam pasangan garis, dan ia akan secara kapasitif disambung dengan EthernetIC melalui pengubah.

Ada situasi di mana frekuensi isyarat sangat tinggi (100Mbit/s) dan tenaga bekalan kuasa rendah (biasanya 3.3V), peranti perlindungan mesti mempunyai muatan kapasitatif yang sangat rendah, dan tenaga matinya jauh lebih rendah dari 5V. Ada kes lain yang mengandungi parasit dalam laluan perlindungan boleh menyebabkan ketegangan yang besar. Untuk maksimumkan efisiensi, kawat papan sirkuit seharusnya supaya laluan antara pelindung dan sirkuit melindungi mesti diminumkan, dan panjang laluan antara sambungan RJ45 dan pelindung juga mesti diminumkan.

4. Tukar/plug panas dan main

Semakin banyak sistem dirancang untuk membenarkan papan pemalam atau pemalam untuk disisipkan dan dibuang pada bila-bila masa semasa sistem masih diaktifkan. Papan pemalam atau pemalam tersebut akan disisipkan ke dalam atau dibuang dari soket yang membawa isyarat, tali kuasa, dan wayar tanah, dan terdapat peluang yang tinggi untuk transien. Selain itu, sistem boleh secara dinamik menyesuaikan bekalan kuasa untuk menyesuaikan kepada meningkat tiba-tiba atau menurun muatan semasa.

Telefon bimbit atau peranti elektronik bimbit lain secara tidak sengaja disambungkan ke dalam atau dilumpuhkan dari sistem muatan diri semasa muatan. Ini juga menghasilkan transient. Di sini, selain perlindungan sementara, pengurusan tenaga juga diperlukan untuk menyesuaikan kepada peningkatan tiba-tiba atau menurun muatan semasa.

Antaramuka USB direka untuk meningkatkan antaramuka berantai kelajuan tinggi antara sistem desktop dan peranti periferik. Juga, terdapat garis bekalan tegangan pada antaramuka UB, yang boleh digunakan untuk menyediakan kuasa kepada peranti periferik tersambung. Jika tiada muatan dipalam ke soket USB, ia adalah soket terbuka. Lepaskan denyut ESD disebabkan oleh elektrik statik tubuh manusia pada soket akan dilakukan ke papan sirkuit dan mudah merusak pengawal USB.

Anda mesti pastikan dalam bas kelajuan tinggi ini, garis data dan garis kuasa dilindungi. Selain itu, walaupun pengurusan tenaga telah ditulis dalam spesifikasi USB, perlindungan ESD belum disediakan.

Peranti TVS boleh digunakan untuk menyediakan perlindungan ESD yang sesuai. Tempatkan komponen dan panjang laluan masih masalah reka penting. Pemandu bentangan yang sama perlu dilihat dengan hati-hati. Pastikan laluan antara TVS dan garis yang dilindungi dikurangkan, dan pastikan peranti TVS adalah sebanyak mungkin kepada sambungan port.

Menurut keperluan spesifikasi USB, tukar distribusi tenaga sirkuit kuat patut digunakan untuk pengurusan tenaga. Dalam hos PC, mereka menyediakan perlindungan semasa sirkuit pendek dan laporan ralat kepada IC pengendali. Dalam periferi USB, mereka digunakan untuk menukar port, laporan ralat dan kawalan ramp-down tenaga bekalan.

5. Pengdistribusi tenaga

Jika anda membandingkan perubahan dalam jumlah semasa PC dengan jumlah 10 tahun yang lalu, jumlah peningkatan itu benar-benar menakjubkan. Dipasang dengan peningkatan besar frekuensi jam, PC dan pelayan berada dalam persekitaran di/dt yang sangat tinggi. Contohnya, jika L ialah 2.5μH dan C ialah bersamaan dengan 4*1500μF, transient pada muatan adalah tertib 200mV puncak-ke-puncak, dan masa pemulihan adalah 50 mikrosaat. Apa yang membuat masalah lebih rumit adalah CPU memasuki mod tidur dan kemudian bangun dengan cepat. Transient yang dijana berada dalam julat 20 hingga 30A per mikrosaat, yang menjadi sakit kepala untuk pengurusan tenaga.

Dari perspektif penyukar, nilai di/dt mempengaruhi pilihan kapasitor output, lebih khususnya resistensi siri yang sama (ESR) dan induktansi siri yang sama (ESL) kapasitor. Penukar yang berfungsi pada frekuensi rendah memerlukan kapasitasi besar untuk menyimpan muatan antara dua cikel kerja, yang memerlukan penggunaan kapasitasi elektrolitik. Walaupun kondensator elektrolitik ini mempunyai kapasitasi besar, mereka juga mempunyai ESR dan ESL yang besar, kedua-dua yang melawan niat desainer. Selain itu, kondensator elektrolitik adalah besar dalam saiz dan tidak sesuai untuk teknologi pemasangan permukaan dan pakej kompat.

Terdapat cara alternatif untuk mengurangi nilai ESR dan ESL, mempermudahkan proses produksi, dan mengurangi volum sebenar. Kaedah ini adalah untuk menggunakan penyukar frekuensi sedikit lebih tinggi, and a boleh memilih kondensator keramik daripada kondensator elektrolitik, dan mendapat keuntungan di atas. Pada masa yang sama, dengan mengadopsi penyelesaian penukar berbilang-fasa, anda boleh berkongsi permintaan muatan. Setiap penukar memerlukan kurang kapasitas input semasa menyediakan kapasitas semasa sama. Keuntungan lain ialah ia mengurangkan semasa garisan input. Dalam skema pertukaran-fasa tunggal, semasa ripple input sama dengan separuh semasa ripple output. Oleh itu, untuk sistem 20A, arus garis input adalah 10A. Namun, untuk penyukar empat fasa penyelesaian, contohnya, semasa output ini akan dibahagi sama antara empat penyukar. Setiap bekalan kuasa ialah 5A, dan aliran input mereka ialah 2A. Ini membolehkan penggunaan kondensator input yang lebih kecil dan murah.

DellComputers (RoundRock, Texas) telah mengembangkan pengawal modulasi lebar denyut berbilang-fasa (PWM) dan tukar DC-ke-DC balik untuk siri komputer kelajuan tinggi dan pelayan. Rancangannya adalah untuk memenuhi keperluan pengurusan tenaga/tenaga darurat PentiumCPU maju Intel. Sirkuit itu telah disertai oleh Semtech pada permintaan Dell. Pemegang dan penukar faz berbilang Setelah penyelesaian, anda perlu memberi perhatian istimewa kepada masalah kabel papan sirkuit. Tukar arus tinggi pada frekuensi tinggi akan mempengaruhi perbezaan tekanan pesawat tanah.

Bahagian semasa tinggi sirkuit patut dijalankan dahulu. Anda patut guna pesawat tanah, atau anda patut memperkenalkan kawasan pesawat tanah yang terisolasi atau setengah terisolasi untuk hadapi arus tanah daripada memasuki kawasan tertentu. Gelung yang dibentuk oleh kondensator input dan output pemacu sisi tinggi dan sisi rendah FET mengandungi semua perubahan kuasa tinggi, cepat-sementara. Sambungan seharusnya lebar atau lebar dan pendek atau pendek untuk mengurangi induksi loop. Melakukan demikian akan mengurangkan gangguan elektromagnetik (EMI), mengurangkan semasa disuntik ke tanah, dan mengurangkan bunyi sumber untuk mendapatkan isyarat penggantian sirkuit gerbang yang lebih dipercayai.

Sambungan antara sambungan dua FET dan induktor output patut menjadi trek luas dan pada masa yang sama pendek yang mungkin. Kondensator output patut ditempatkan sebanyak mungkin kepada muatan. Semasa muatan transient pantas disediakan oleh kondensator ini, jadi wayar sambungan sepatutnya luas dan pendek untuk minimumkan induktan dan resistensi.

Pemegang ditempatkan terbaik dalam kawasan pesawat tanah yang tenang untuk mencegah arus denyut dalam kondensator input dan gelung FET mengalir ke kawasan ini. Pin rujukan tanah yang tinggi dan rendah sepatutnya kembali ke tanah yang sangat dekat dengan pakej penyampai kawalan. Tanah analog isyarat kecil dan tanah digital patut disambung ke tanah salah satu kondensator output. Jangan pernah kembali ke tanah di dalam kapasitor input/loop FET. Gelung penahan perasaan semasa patut disimpan sebaik mungkin.

6. Bekerja pintar

Walaupun contoh-contoh di atas menunjukkan beberapa kaedah yang dapat meramalkan dan menghindari terjadian tertentu sistem isyarat-campuran, mereka tidak secara tidak melelahkan. Setiap sistem mempunyai cabaran sendiri, dan setiap desainer mempunyai halangan unik untuk melompat. Sama ada menghadapi perlindungan yang lebih sukar atau pengurusan tenaga yang lebih ketat, memilih komponen yang betul adalah perkara pertama yang perlu dilakukan. Dalam terma penyukar cabaran, pengendali penyukar dan peranti perlindungan TVS, terdapat julat luas pilihan. Letakkan mereka di tempat yang betul di papan sirkuit akan menunjukkan perbezaan dalam pengurusan tenaga dan perlindungan. Kawalan berfikir-keluar dan konfigurasi pesawat tanah adalah masalah kunci dalam aspek ketiga. TVS untuk sirkuit tenaga rendah

Apabila tekanan lebih rendah dari 5V, TVS sambungan PN tradisional sebenarnya tidak berfungsi sama sekali. Namun, terdapat dioda punch-through (EPD) yang dikembangkan oleh Universiti California, Berkeley dan Semtech.

Tidak seperti struktur PN tradisional diod TVS avalanche, peranti EPD ini menggunakan struktur empat lapisan yang lebih kompleks n+p+p-n+ Ia menggunakan doping ringan dalam lapisan p+ dan P-untuk mencegah persatuan n+p+ yang bias-balik daripada memasuki keadaan lapisan.

Struktur npn dipilih selain dari struktur pnp kerana kemampuan elektron yang lebih tinggi dan ciri-ciri pegangan yang meningkat. Dengan berhati-hati menghasilkan kawasan-asas P, peranti yang menghasilkan mempunyai kebocoran yang baik, tekanan dan karakteristik kapasitasi dalam julat tegangan 2.8V hingga 3.3V.

7. Pentium dengan selera yang besar

Spesifikasi Pentium II Intelâ memerlukan bahawa semasa meningkat dari 5A ke 20A dalam 500 ns, dan kadar pertukaran adalah 30A per mikrosaat. Pemegang PWM berbilang-fasa SC1144 Semiteck lebih mampu daripada tugas yang diperlukan. Ia menyediakan kawalan sehingga empat penukar DC-ke-DC terbalik untuk mendapatkan kelajuan dan ketepatan yang diperlukan. DAC 5-bit yang dibina membolehkan tenaga output diprogram, dari 1.8 hingga 2.05V dalam tambahan 50mV, dan dari 20 hingga 3.5V dalam tambahan 100mV.

Teknologi berbilang fasa ini menghasilkan empat tekanan output yang tepat dipisahkan oleh pergerakan fasa 90 darjah. Kemudian, empat output yang dipindahkan secara digital digabung bersama-sama untuk mendapatkan voltas output yang diperlukan dan kapasitas semasa.

Dengan setiap penukar yang berfungsi di 2MHz, perancang boleh menggunakan kondensator keramik bukannya kondensator elektrolitik, dan mendapat keuntungan dari saiz kecil, kemampuan meletakkan permukaan, dan lebih rendah ESR dan ESL.