PCB Блог - моделирование высокоскоростных печатных плат - панелей для обеспечения целостности питания

край сигнала становится всё быстрее и быстрее, проблемы, с которыми сегодня сталкиваются современные производители высокоскоростного цифрового телевидения печатных плат несколько лет назад невозможно себе представить. изменение края сигнала менее 1 НС, напряжение между слоем питания на PCB и коллектором неодинаково где бы то ни было на платы, это влияет на питание чипа ис и приводит к логической ошибке чипа. обеспечить правильное функционирование высокоскоростного оборудования, конструктор должен устранить такие колебания напряжения и поддерживать низкоомное распределение. чтобы сделать это, Вам нужно добавить развязывающий конденсатор на платы цепи, чтобы уменьшить шум от электроснабжения и высокоскоростных сигналов на пласте. Вы должны знать, сколько конденсаторов нужно использовать, Каково должно быть значение каждого конденсатора, и поставить их на доску. с одной стороны, Вам может понадобиться много конденсаторов, С другой стороны, пространство на платы ограничено и ценно, эти подробности определяют успех или провал проектирования.

опытно - конструкторский метод занимает много времени и является дорогостоящим и обычно приводит к чрезмерным ограничениям на проектирование, что увеличивает ненужные производственные затраты. Более практичным методом моделирования и оптимизации дизайна платы и использования ресурсов платы является метод итерации для проектирования различных схем. этот процесс описан в настоящей статье, которая предназначена для оптического волокна / широкополосной беспроводной сети xDSM (уплотненное мультиплексирование с высокой несущей частотой). эмулятор программного обеспечения, основанный на использовании технологии SIwave Ansoft, которая основана на комбинированном использовании двухволновой технологии с ограниченным числом элементов, может быть спроектирована непосредственно для импорта схем Cadence Allegro, Mentor Graphics BoardStation, Synopsis Encore и Zuken CR - 5000 board Designer. Рисунок 1 - схема PCB, разработанная в SIWAve. Поскольку структура PCB является плоской, SIwave может эффективно проводить всеобъемлющий анализ, результаты которого включают резонанс пластины, сопротивление, параметры s выбранной сети и эквивалентную модель спица схемы. размер панели XDSM (т.е. мощность и соединительный пласт) составляет 11 x 7,2 дюйма (28 x 18,3 см). слой электропитания и прилегающие пласты, состоящие из медной фольги толщиной 1,4 мили, отделяются от основной пластины толщиной 23,98 мили. для того чтобы понять конструкцию платы, во - первых, рассмотрите характеристики голой панели (без сборки) платы xDSM. в зависимости от времени нарастания высокоскоростных сигналов на платы вы должны понять поведение платы в диапазоне частот до 2GHz. На рисунке 2 показано распределение напряжения в цепи возбуждения синусоидальных сигналов при резонансе 0,54 ГГц. Аналогичным образом, плата настроена на частоту 0,81 ГГц и 0,97 ГГц и выше. чтобы лучше понять, вы также можете на этих частотах моделировать распределение напряжения между питанием и коллектором в резонансных режимах.

при резонансном режиме 0,54 ГГц разница в напряжении между Центральной поверхностью платы и прилегающей пластом была нулевой. то же самое относится и к некоторым более высокочастотным резонансным моделям. Однако не во всех резонансных режимах, например в резонансных режимах высокого порядка 1,07 ГГц, 1,64 ГГц и 1,96 ГГц, разница в напряжении в центре платы не была нулевой. Найти точку изменения нулевых потерь поможет нам поставить оборудование, требующее значительных изменений тока в течение короткого периода времени. например, если чип "Xinlix FPGA" будет помещен на схемную панель, то в течение 0,2 НС этот чип произведет изменение входного тока 2A. изменение тока в такой большой степени за короткий период времени приведет к проблемам энергоцелостности платы, что приведет к возникновению различных резонансных режимов платы, что приведет к неоднородности напряжения в слое питания и в прилегающих слоях. Тем не менее некоторые резонансные схемы имеют нулевые характеристики затухания в центре платы, и поэтому размещение чипов FPGA здесь позволяет избежать появления этих низкочастотных резонансных схем на платы. микросхемы FPGA не могут стимулировать эти низкочастотные резонансные режимы, поскольку невозможно связать их с центрами платы. фиолетовая кривая показывает резонанс, вызванный тем, что чип, расположенный в центре платы, поглощает ток из плоскости питания. На самом деле пиковые значения колеблются на высоких резонансных частотах 1,07 ГГц, 1,64 ГГц и 1,96 ГГц, но не на низких резонансных частотах 0,54 ГГц, 0811 ГГц и 0997 ГГц, как мы ожидали. фиолетовая кривая означает резонанс, возникающий при извлечении тока из плоскости мощности на чипе, расположенном в центре платы; зеленая кривая показывает реакцию чипа на отклонение от центра.

Хотя размещение и размещение оборудования может помочь уменьшить проблемы с питанием, они не могут решить все проблемы. Во - первых, вы не можете поставить все ключевые компоненты в центр платы. обычно гибкость установки оборудования ограничена. Во - вторых, любое позиционирование может вызвать резонансные режимы. например, зеленая кривая на рисунке 3 показывает, что при отклонении кристалла по оси от центра будет активирован резонансный режим 0. 54 ГГц. ключ к успешному проектированию платы PDS (система распределения) заключается в том, чтобы добавить развязывающие конденсаторы в нужном месте для обеспечения целостности электропитания и достаточно широкого диапазона частот, чтобы Звук отскока от земли был достаточно небольшим.

развязывающий конденсатор

при этом напряжение питания временно снижается (снижается), а напряжение на поверхности земли временно повышается (отскок грунта). амплитуда изменения зависит от сопротивлений платы и смещения зажима кристалла, используемого для создания развязывающих конденсаторов тока (диаграмма 4а). Поскольку значение тока в переходном режиме составляет 2а, то значение в переходном режиме напряжения определяется V = Z: I, Z является сопротивлением, видимым на конце микросхемы, и поэтому для избежания пиковых колебаний напряжения в диапазоне частот от постоянного тока до полосы пропускания сигнала значение Z должно быть ниже определенного порога. амплитуда изменения зависит от сопротивлений платы и смещения зажима кристалла, используемого для создания развязывающих конденсаторов тока; во избежание пиков напряжения величина Z должна быть ниже определенной частоты в диапазоне частот от постоянного тока до полосы пропускания сигнала. порог. пунктирная часть диаграммы - область, в которой должны быть удовлетворены импеданцы PDS. при таком проектировании, чтобы сохранить целостность питания, колебания напряжения питания к земле должны оставаться в пределах 5% от стандартного значения 3.3 вольт. Соответственно, импеданцы PDS могут рассчитываться по законам Ома: 165mV / 2A = 82,5m)

для частот, как правило, 1 кГц или ниже - мощность удовлетворяет характеристикам импедансов, а структура источника и коллектора обычно не разрушает их, так как они демонстрируют низкое сопротивление и индуктивные свойства. в тех случаях, когда частота выше 1kHz, взаимная индуктивность контура тока достаточно велика, что приводит к превышению напряжения над предельным значением, и в соответствии с более высокой частотой развязывающие конденсаторы необходимы как низкое сопротивление между плоскостью мощности и сопротивлением пласта. пропускная способность сигнала, необходимая для выполнения требований импеданса PDS, может быть оценена в равновесии: в настоящей конструкции ширина полосы составляет 1,75 ГГц.

для получения такой ширины полосы частот, как правило, необходимо установить множество высокочастотных керамических конденсаторов в сигнальной области МГц и установить более крупные Электролизные конденсаторы в зоне сигнала KHz. Вместе с другими компонентами эти конденсаторные матрицы занимают ценное пространство платы. физический прототип является незаменимым в методике пробного проектирования, и виртуальный прототип позволяет Конструкторам решать эту проблему без физического прототипа. для PCB - панелей (например, xDSM - панелей в данном примере) используется SIwave, чтобы установить порт на чипе IC и вычислить входное сопротивление панели в пределах соответствующей полосы пропускания. красная кривая на рисунке 5 показывает полное сопротивление при отсутствии конденсатора на платы. ось сопротивлений и ось частот используют логарифмические координаты. Эмуляция показывает влияние емкости самой платы, игнорируя низкоиндуктивный контур тока через источник питания. На рисунке видно, что сопротивление увеличивается с понижением частоты, однако, поскольку контуры электропитания также имеют низкий импеданс, эта зависимость не является строгой. красная кривая показывает полное сопротивление при отсутствии конденсатора на платы; темно - синяя кривая - воссозданная импедансная характеристика; голубая кривая - кривая сопротивления после добавления 10nF - конденсатора в Матрицу; цветной график показывает, что снова добавлена матрица конденсаторов 1nF. результаты. Согласно Z = 1 / (j. C), прямолинейность в красной кривой указывает на емкость самой платы 74nF. для поддержания сопротивлений при 1 МГц ниже целевого сопротивления 82,5 м при выключении © значение конденсатора должно быть не менее 2 МКФ - почти в 30 раз больше емкости самой платы. для этого необходимо в первую очередь добавить 22 матрицы конденсаторов 0,1 в год. синяя кривая в графике - это воссозданная импедансная характеристика. В большинстве диапазонов частот дизайн удовлетворяет требованиям характеристики импеданса. Вместе с тем, на высоких уровнях полосы пропускания кривая сопротивлений не удовлетворяет требованиям, предъявляемым к характеристикам сопротивлений, поскольку дополнительные индуктивности, вызванные конденсатором ESL (эквивалентное последовательное индуктивное), ESR (эквивалентное последовательное сопротивление) и расстоянием конденсатора, не удовлетворяют требованиям, предъявляемым к характеристикам сопротивлений. Поскольку малые конденсаторы имеют более низкие значения ESL и ESR, добавление обходных каналов способствует улучшению их высокочастотных характеристик. синяя кривая на рисунке 5 - это кривая сопротивления после добавления еще одной матрицы 10nF конденсатора. зеленая кривая показывает результат добавления матрицы конденсатора 1nF снова. Добавление каждой емкостной матрицы улучшает характеристики сопротивлений, но результаты все еще достаточны для удовлетворения характеристик сопротивлений. На этом этапе проектирования конструкторы могут добавлять электромагнитное моделирование в симуляцию цепи для завершения проектирования. Этот метод позволяет Конструкторам создавать боковое сопротивление низкого напряжения, включая эффект нагрузки от источника питания. Он также может непосредственно стимулировать шум на выводе мощности, чтобы непосредственно проверить уровень шума мощности, чтобы избежать чрезмерного анализа плоского сопротивления мощности, что приводит к ненужным расходам на проектирование.

сначала следует добавить порт ввода и вывода в выбранное положение. на одном из вышеуказанных чипов IC добавлен порт, а на входе в систему добавлен порт, а на месте установки двух других чипов - два порта. затем в SIwave можно провести широкополосное сканирование для получения матрицы рассеяния с параметрами 4x4 S на всей полосе частот. Затем для дальнейшего анализа в имитационной среде схем можно было бы использовать весь спектр Spice для создания совместимых с Spice схем. в генерированном файле схемы PCB находится в центре схемы. файл схемы также включает модель FPGA - источник тока с токовым зондом и дифференциальным зондом напряжения. схема Spice, созданная компанией Spice, также включает в себя три вышеупомянутых конденсаторных матрицы. Добавление четвертой матрицы конденсатора на интегральную схему приведет к дальнейшему снижению высокого сопротивления. Эта схема также включает постоянный источник с небольшим числом развязывающих конденсаторов с диапазоном от 1nF до 100 МКФ. в их число входят также модели двух других чипов интегральных схем, окруженных небольшой решеткой из конденсаторов 100nF.

Синяя и зеленая кривые представляют собой кривые целостности питания интегральной микросхемы без добавления и добавления набора матриц конденсаторов. по отдельности красная кривая отражает внезапные изменения входного тока кристалла. имитация шумов, показывающих напряжение питания FPGA. красная кривая указывает на резкое изменение входного тока чипа - ток от 0а до 2А / 0.2 НС. синяя кривая представляет собой кривую напряжения чипа IC, без необходимости добавления группы конденсаторов матрицы. в сравнении с.3V, колебания напряжения уже незначительны., Но он все еще превышает 5% нормы. кривая изменения напряжения после добавления матрицы четвёртого блока конденсаторов, окончательное проектирование для выполнения нормативных требований по шуму питания менее 165мв. Другие чипы на платы могут быть проанализированы таким же образом, чтобы они не пострадали от снижения мощности и отскока на земле. В данном случае, Два других чипа потребляют соответственно 100мA и 50мA, их вклад в шум относительно невелик. печатных плат- проектирование уровня высокоскоростных схем очень сложно. для обеспечения правильной работы схемы, схема PDS требует тщательного проектирования, в том числе добавить сотни развязывающих конденсаторов на платы цепи и выбрать соответствующие значения и местоположение конденсатора по мере необходимости. Эмуляция виртуальных образцов машины вместо ошибок проектирования для оптимизации мощности двигателя дизайн печатных плат можно эффективно сократить проектный цикл, экономить проектные затраты.