PCB Блог - Анализ и проектирование системы питания печатных плат

Сегодня трудно добиться успеха в проектировании высокоскоростных электронных систем на печатных плат без полного понимания характеристик системы питания микросхемы, структуры корпуса и печатной платы. На самом деле, чтобы соответствовать более низкому напряжению питания, более высокой скорости инверсии сигнала, более высокой степени интеграции и многим другим и более сложным требованиям, многие компании, находящиеся на переднем крае разработки электронных устройств, разрабатывают продукты для обеспечения электропитания. И целостность сигнала, много денег, человеческих и материальных ресурсов вложено в анализ системы электроснабжения. Анализ и проектирование систем электропитания (PDS) становятся все более и более важными в области проектирования высокоскоростных схем, особенно в компьютерной, полупроводниковой, коммуникационной, сетевой и бытовой электронике. При неизбежном дальнейшем масштабировании технологии СБИС напряжение питания интегральных схем будет продолжать снижаться. Поскольку все больше и больше производителей переходят от 130-нм технологии к 90-нм, можно предвидеть, что напряжение питания упадет до 1,2 В или даже ниже, а ток также значительно возрастет. С точки зрения снижения постоянного напряжения IR для управления динамическими колебаниями переменного напряжения, поскольку допустимый диапазон шума становится все меньше и меньше, эта тенденция развития создала большие проблемы для проектирования систем электропитания.

Обзор конструкции системы питания на печатных плат

Обычно при анализе переменного тока входной импеданс между землей источника питания является важным наблюдением, используемым для измерения характеристик системы электропитания. Определение этого наблюдения переходит в расчет падения IR в анализе постоянного тока. При анализе постоянного или переменного тока факторами, влияющими на характеристики системы электропитания, являются: расположение слоев печатной платы, форма плоскости слоев платы питания, расположение компонентов и распределение переходных отверстий и контактов. и так далее. Понятие входного импеданса между землей питания можно использовать при моделировании и анализе вышеуказанных факторов. Например, очень широкое применение входного импеданса «земля-питание» — оценка размещения развязывающих конденсаторов на плате. С определенным количеством развязывающих конденсаторов, размещенных на плате, можно подавить уникальный резонанс самой печатной платы, тем самым уменьшив генерацию шума, а также уменьшив краевое излучение печатной платы для решения проблем с электромагнитной совместимостью. Чтобы повысить надежность системы электропитания и снизить стоимость производства системы, инженеры-проектировщики систем часто должны учитывать, как экономически эффективно выбрать компоновку системы с развязывающими конденсаторами. Систему электропитания в высокоскоростной схемной системе обычно можно разделить на три физические подсистемы: микросхема, структура корпуса интегральной схемы и печатная плата. Силовая сетка на чипе состоит из нескольких слоев металлических слоев, расположенных попеременно. Каждый металлический слой состоит из металлических полос в направлении X или Y, образующих силовую или заземляющую сетку, и переходных отверстий, соединяющих металлические полосы разных слоев. Для некоторых высокопроизводительных чипов многие блоки развязки интегрированы в блок питания ядра или ввода-вывода. Структура корпуса интегральной схемы, подобная уменьшенной печатной плате, имеет несколько слоев питания или заземления сложной формы. На верхней поверхности корпусной конструкции обычно имеются места установки развязывающих конденсаторов. Печатная плата обычно содержит непрерывную силовую и заземляющую пластину большой площади, а также несколько больших и малых дискретных компонентов развязывающего конденсатора и модуль силового выпрямителя (VRM). Соединительные провода, штыри C4 и шарики припоя соединяют микросхему, корпус и печатную плату. Вся система электроснабжения должна обеспечивать стабильное напряжение каждого устройства на интегральной схеме в пределах нормы. Однако коммутационные токи и паразитные высокочастотные эффекты в этих системах электропитания всегда вносят шум напряжения. Изменение его напряжения можно рассчитать: где ΔV – флуктуация напряжения, наблюдаемая на устройстве, а ”I – коммутационный ток. Z — входное сопротивление между источником питания и землей всей системы электропитания, наблюдаемое на устройстве. Чтобы уменьшить колебания напряжения, поддерживайте низкое сопротивление между питанием и землей. В случае постоянного тока, поскольку Z становится чистым сопротивлением, низкое сопротивление соответствует низкому падению напряжения IR источника питания. В случае переменного тока низкое сопротивление также снижает переходный шум, создаваемый током переключения. Конечно, это требует, чтобы Z оставалось малым в широкой полосе частот. Обратите внимание, что питание и земля часто используются в качестве обратных и опорных плоскостей сигнала, поэтому существует тесная связь между системой электропитания и системой распределения сигнала. Однако из-за ограничений по объему шумовые явления и вопросы управления токовой петлей в системах электроснабжения, возникающие из-за синхронного коммутационного шума (IO SSO), здесь не обсуждаются. В следующих разделах сигнальная система будет проигнорирована, и основное внимание будет уделено анализу системы электропитания.

ИК-капля постоянного тока

Поскольку размер элемента Power Grid чипа очень мал (несколько микрон или даже меньше), потери сопротивления в чипе серьезны, поэтому падение напряжения IR в чипе широко изучалось. В следующих случаях падение напряжения ИК-излучения на печатной плате (в диапазоне от десятков до сотен милливольт) также окажет большее влияние на конструкцию быстродействующей системы. На уровне силовой платы плоскость платы разделена благодаря структуре Swiss-Chess, структуре Neck-Down и динамической разводке (рис. 1); выводы устройства, переходные отверстия, шарики припоя и контактные площадки C4, через которые проходит ток на слое платы питания Недостаточное количество плат блоков питания, недостаточная толщина пластин блоков питания, несбалансированные пути тока и т. д.; конструкция системы требует низкого напряжения, высокого тока и более жесткого плавающего диапазона напряжения. Например, устройство с высокой плотностью и большим количеством выводов часто будет формировать так называемый эффект структуры Swiss-Chess на структуру корпуса микросхемы и слой распределения питания печатной платы из-за большого количества переходных отверстий и антиконтактных площадок. Структура Swiss-Chess производит множество крошечных металлических областей с высоким сопротивлением. В зависимости от системы электропитания существует такой путь тока с высоким сопротивлением, что напряжение, подаваемое в настоящее время на компоненты на печатной плате, может быть ниже проектных требований. Таким образом, хорошее моделирование падения напряжения постоянного тока IR является ключом к оценке допустимого диапазона падения напряжения в системе электропитания. Обеспечьте дизайнерские решения или правила для предварительного и последующего размещения и маршрутизации путем анализа различных возможностей. Инженеры-компоновщики, системные инженеры, инженеры по целостности сигналов и инженеры-проектировщики электропитания также могут включить анализ падения ИК-излучения в менеджер ограничений в качестве последнего шага в выполнении проверок правил проектирования для каждого списка соединений питания и заземления на печатной плате. Инструмент проверки (DRC). Этот процесс проектирования с помощью автоматизированного программного анализа позволяет избежать проблем с компоновкой и проводкой в сложных структурах системы электроснабжения, которые невозможно обнаружить с помощью визуального осмотра или даже опыта. На рис. 2 показано, что анализ ИК-падений позволяет точно определить распределение критических напряжений и токов в системе электропитания на высокопроизводительной печатной плате.

Анализ сопротивления заземления переменного тока

Многие люди знают, что пара металлических пластин представляет собой пластинчатый конденсатор, поэтому они думают, что характеристикой слоя силовой пластины является обеспечение пластинчатой емкости для обеспечения стабильности напряжения источника питания. Когда частота низкая, а длина волны сигнала намного больше, чем размер панели, слой силовой платы и пол образуют конденсатор. Однако, когда частота увеличивается, характеристики слоя силовой плоскости начинают усложняться. Точнее, пара плоских пластин образует систему линий передачи с плоскими пластинами. Шум между источником питания и землей или соответствующее электромагнитное поле распространяется между платами по принципу линии передачи. Когда шумовой сигнал распространяется к краю панели, часть высокочастотной энергии излучается, но большая часть отражается обратно. Многократные отражения от разных границ пластины составляют явление резонанса в печатной плате. При анализе переменного тока резонанс импеданса печатной платы между питанием и землей является уникальным явлением. Для сравнения также нанесены импедансные характеристики чистого конденсатора и чистой индуктивности. Размер доски составляет 30 см х 20 см, расстояние между досками составляет 100 мкм, а наполнитель - материал FR4. Модуль силового выпрямителя на плате заменен дросселем 3 нГн. Это конденсатор емкостью 20 нФ, который имеет чисто емкостную характеристику импеданса. Из рисунка видно, что при отсутствии на плате силового выпрямительного модуля в диапазоне частот десятков мегабайт импедансные характеристики (красная линия) плоской пластины совпадают с емкостными (синяя линия). На частотах выше 100 МГц характеристики импеданса плиты являются индуктивными (вдоль зеленой линии). После достижения частотного диапазона в несколько сотен мегабайт появление нескольких резонансных пиков свидетельствует о резонансных характеристиках пластины, и пластина уже не является чисто индуктивной. К настоящему времени ясно, что система питания с низким сопротивлением (от постоянного тока к переменному) является ключом к получению низких колебаний напряжения: снижение индуктивных эффектов, увеличение емкостных эффектов и устранение или уменьшение этих резонансных пиков являются целями проектирования.

Чтобы уменьшить импеданс системы электропитания, необходимо соблюдать некоторые рекомендации по проектированию:

1) Уменьшите расстояние между источником питания и слоем пола;

2) Увеличить размер таблички;

3) улучшить диэлектрическую проницаемость наполнителя;

4) Используйте несколько пар слоев питания и пола.

Однако из-за производственных или других конструктивных соображений инженерам-проектировщикам также необходимо использовать более гибкие и эффективные методы изменения импеданса системы электропитания. Чтобы уменьшить импеданс и устранить эти резонансные пики, стало распространенным методом размещение дискретных развязывающих конденсаторов на печатной плате.

Входное сопротивление системы электропитания рассчитывается с помощью Sigrity PowerSI:

а. Модуль силового выпрямителя отсутствует, и на плате не размещены развязывающие конденсаторы.

б. Модуль силового выпрямителя смоделирован с коротким замыканием, и на плате не размещены развязывающие конденсаторы.

в. Модуль силового выпрямителя моделируется с помощью короткого замыкания, а на плате размещены развязывающие конденсаторы.

Размещение дискретных развязывающих конденсаторов на плате дает разработчикам возможность гибко регулировать импеданс системы питания для снижения уровня шума между питанием и землей. Однако то, как выбрать, где его разместить, сколько выбрать и какой тип развязывающего конденсатора выбрать, остается серией вопросов проектирования. Поэтому часто необходимо искать решения по развязке для конкретной конструкции, использовать соответствующее программное обеспечение для проектирования и выполнять обширное моделирование системы электропитания на печатных плат.