Технология PCB - Руководство по проектированию высокоскоростных PCB II: избежание создания ловушки

для успешного использования SOC, board-level andконструктор системного уровня необходимо понять, как лучше разместить компоненты, layout traces, комбинированный блок защиты.

They are called digital cellular phones, Но они содержат больше аналоговых функций. На самом деле, any system that needs to process continuous state values (such as voice, образ, температура, pressure, сорт.) will have its analog function, Даже если числовое слово появляется в его имени. сегодняшний мультимедийный PC не является исключением. They have voice and video input and output, центральный отопительный процессор, and high-performance modems. These systems are also items on the list of mixed signal functions. Also more and more.

The trend of the two systems brings new challenges to people who design hybrids. объем и вес портативного оборудования связи и вычислительной техники продолжают сокращаться, но их функции продолжают расти. The desktop system continues to improve the central processing unit capacity and the speed of communication peripherals. Конечно, it is quite difficult to design modern digital circuit boards while avoiding ringing, ошибка от шума, and ground potential bounce. Однако, when you add those analog signal lines that are susceptible to noise close to square-wave excitation digital data lines, Проблема обострилась..

на уровне чипа в настоящее время СОС (система на пластинах) нуждается в специальных знаниях в области логических схем, аналоговых схем и термодинамического проектирования. чтобы успешно использовать эти IC, дизайнеры уровней плит и систем должны знать, как лучше всего разместить компоненты, проводки и использовать защитные компоненты.

в данной статье описываются общие недостатки текущего проектирования гибридной системы сигнализации и даются указания по их устранению или устранению.. Однако, before discussing specific issues and making proposals, Полезно было бы подробно изучить две тенденции в проектировании системы - влияние миниатюризации и высокоскоростной коммерциализации на эти вопросы..

« быстрые» тенденции

Сопоставление спецификаций для промежуточного PC, 1999 год и пять лет назад, its central processing unit speed has increased by about an order of magnitude, ток потребления процессора также увеличился примерно на один уровень. When you combine high speed with high current, "Ди"/dt" part of the relationship of V=L (di/dt) is greatly improved. In fact, the half-inch-long ground wire in the circuit board may induce a voltage of more than 1 volt on it. коммутатор, the ground potential reference line will induce voltage, Это может привести к остановке операции.

для достижения этих более высоких темпов при проектировании и изготовлении IC использовались размеры глубинных субмикрометров (например, 0,35 в расчете на четверть м). Хотя это уменьшает геометрические размеры и приводит к более быстрому функционированию, это повышает вероятность того, что это оборудование будет блокировано и повреждено в результате переходного процесса. Кроме того, это оборудование нуждается в более строгом управлении энергией, с тем чтобы оно соответствовало более строгим допустимым уровням напряжения.

хорошим примером является нынешняя сетевая карта 10 / 100 Ethernet (NIC). первоначальная 10 - базовая микросхема - это крупнокалиберная аппаратура CMOS, которая менее чувствительно реагирует на повреждения от перенапряжения. Тем не менее, новые чипы используют ширину линии 0,35 до 0,35 м, что очень чувствительны к блокировке и сбоям, вызываемым электрическими и молниеносными колебаниями.

современные серверы со структурой SMP (симметричная мультипроцессорная способность) и процессоры, работающие на 500MHz или более высоких частотах, являются хорошими примерами проблем с распределением энергии. Вы не можете просто построить источник питания 5В и подключить сеть к соответствующей шине. в 500мгц, когда ток достигает 20а или 30а, каждая точка использования фактически требует независимого преобразователя, а также более крупного источника первичного напряжения, все эти преобразователи нуждаются в электроснабжении.

Эта тенденция требует горячего отключения, что означает, что вы должны иметь возможность вставлять или удалять платы в текущую систему. Это также для того, чтобы предсказать переходный период. Таким образом, необходимо обеспечить адекватную защиту как от вставки, так и от основной платы.

Тенденции как в области приватизации, так и в области высоких темпов роста имеют свои специфические проблемы. например, для малогабаритных, портативных и ручных устройств распределение энергии в больших токах не является серьезной проблемой. для настольных компьютеров и серверов продление срока службы батарей не является проблемой. Однако в обеих областях возникают проблемы с блокировкой и повреждением, вызванным переходом.

тенденция к « миниатюризации»

сравнение мобильных телефонов 1999 года с продукцией, произведенной пять лет назад, количество чипов гораздо меньше, the weight and volume are greatly reduced, значительно удлинение срока службы батареи. в процессе, the main factor is the great progress in mixed-signal IC solutions. Однако, with the reduction of chip geometry, расстояние между проводами на платы, and the laws of physics are beginning to appear.

параллельные траектории становятся все ближе и создают все большую паразитную ёмкостную связь, которая является результатом квадратного обратного соотношения. в прошлом было лишь небольшое количество космических следов, и теперь их много. Таким образом, проблема возникает даже в связи с конденсаторной связью между соседними дорожками регистрации.

мобильный телефон, determined by their nature, оборудование, принадлежащее и используемое человеком. в криогенные дни, you are walking around on the carpet, потом возьми телефон., and then "pop"”this sends a high-voltage, electrostatic discharge (ESD) pulse to the device. Without proper ESD protection, один или несколько IC могут быть повреждены. However, Добавление внешних компонентов для предотвращения ущерба ESD не будет способствовать тенденции к минимизации.

другой вопрос - управление энергией. абонент мобильного телефона надеется, что чем больше интервал зарядки батареи, тем лучше. Это означает, что преобразователь DC - DC должен быть очень эффективным. коммутационная технология - это его ответ, но в этом случае преобразователи также становятся потенциальным источником шума. Поэтому необходимо тщательно выбирать, размещать и связывать преобразователи. Кроме того, поскольку объем является фактором, который нельзя игнорировать, следует выбрать те элементы, которые могут быть использованы без источника с минимальным физическим размером. если используется линейный стабилизатор напряжения, то следует выбрать стабилизатор перепада сверхнизкого напряжения, чтобы выходное напряжение сохранялось на минимальном батарейном напряжении. Это позволяет разрядить батареи, насколько это возможно, до того, как они перестанут давать достаточно электричества.

блокирование и переходный период

переходы от ширины линии к глубинной субмикронной IC ухудшают чувствительность к условиям перенапряжения, это значит, что вы должны быть более умны, чтобы защитить эти устройства, не влиять на их производительность.

при входе в систему защиты любой элемент защиты должен быть показан как контур с высоким сопротивлением при нормальной работе. например, для добавления небольшого эффекта к нормальным входным сигналам необходимо исчерпывать нагрузку, которая может быть меньше емкости. Однако в момент перенапряжения одно и то же оборудование должно стать основным маршрутом для нестационарной энергии, чтобы она не попадала в защищенные устройства. Кроме того, допустимое напряжение защитного устройства должно быть выше максимально допустимого напряжения на его предохранительном зажиме. Аналогичным образом, напряжение фиксации должно быть достаточно низким, чтобы предотвратить повреждение защитного оборудования. Это потому, что в переходных условиях напряжение на входе будет фиксаторным напряжением защитного устройства.

в прошлом диод, подавляющий переходное напряжение (TVS), эффективно фиксировал нестационарное положение на печатных платах. традиционный диод (TVS) представляет собой твердотельный прибор PN PN с рабочим напряжением до 5V. Они обладают временем быстрого реагирования, низким фиксаторным напряжением, высокой волной тока - всеми необходимыми свойствами. Однако проблема с традиционными TVS диодами заключается в том, что если она будет ниже 5V, то она поднимет голову. Здесь они используют метод лавины как препятствие. для получения разделительного напряжения ниже 5В требуется высокая степень легирования (1018 / cm - 3 или выше). это, в свою очередь, приведет к повышению емкости и тока утечки, которые могут нанести ущерб высоким характеристикам. традиционный TVS - диод имеет емкость, связанную с напряжением, и при понижении напряжения емкость увеличивается. например, под напряжением 5V типичный защитный диод ESD конденсатор перехода 400pf. Мы можем себе представить, что произойдет, если такая ёмкостная нагрузка будет применена к входным узлам передатчика или приемника 100 Base Tethernet или к общему последовательному вводу шины (USB). Кроме того, именно эти типы схем наиболее нуждаются в защите в переходный период.

в тех случаях, когда напряжение ниже 5 в, традиционный TVS диод на самом деле не является выбором. Но это не значит, что у тебя нет выбора. новая технология, разработанная совместно Калифорнийским университетом в Беркли (University of California, Berkeley) и семтеком (Ньюбери - Паркер, Калифорния), может обеспечить нестационарное напряжение и защиту ESD до 2,8 V. Вы можете выбрать одну из серии TV устройств с подходящей емкостью, изолированным напряжением и фиксаторным напряжением для удовлетворения требований вашей собственной системы. После этого мы должны также рассмотреть вопрос о том, где должно располагаться оборудование на платы и как соединять платы.

защита от паразитной индуктивности в пути может привести к гипермодуляции напряжения и повреждению IC. это особенно важно для быстрого подъема. Согласно определению IEC1000 - 4 - 2, связанные с ESD переходные периоды достигают пика менее чем за 1 НС. в зависимости от индуктивности траектории 20nH / дюйма, четыре однодюймовых траектории импульса 10A приведут к гипермодуляции 50V.

необходимо учитывать все возможные пути индукции, в том числе между заземляющим контуром, телевизионным каналом и защитным контуром, а также от соединителя к телевизионному оборудованию. Кроме того, телевизионное оборудование должно быть как можно ближе к соединительному устройству, с тем чтобы оно мгновенно связывалось с другими ближайшими каналами записи.

10 / 100 сетчатая доска – это подсистема, нуждающаяся в защите в переходном режиме. оборудование, используемое в коммутаторе Ethernet и маршрутизаторе, подвергается воздействию молниеносного мгновенного изменения высокой энергии. при проектировании используемые глубины субмикро - IC чрезвычайно чувствительны к блокировке перенапряжения. В типичной системе для каждого порта используется двухпроводный интерфейс, состоящий из двух разных сигналов - одной для передатчика и другой для приемника. вход в передатчик обычно наиболее уязвим. Линейные линии будут иметь разный смертельный разряд, который будет связываться через трансформаторы с конденсатором эфира.

В случае очень высокой частоты сигнала (100 Мбит / с) и низкого напряжения питания (обычно 3,3 V) защитное устройство должно иметь очень низкую емкостную нагрузку, изолированное напряжение которой значительно ниже 5V. другая ситуация заключается в том, что защита от паразитной индуктивности в пути может привести к более высокой модуляции напряжения. для максимального повышения эффективности проводки платы должны обеспечивать сведение к минимуму пути между протектором и защищенной схемой, а также сокращение длины пути между соединителем RJ45 и протектором.

теплообмен / интерполяция

все большее число систем спроектированы таким образом, чтобы они позволяли вставлять и отключать штепсели или штепсели в любое время, когда система все еще работает. Эти модули или штепсели будут вставлены или отключены из розетки несущих сигналов, линий электропитания и заземления, и вероятность мгновенного перехода весьма высока. Кроме того, система также может динамически регулировать питание, чтобы приспособиться к внезапному увеличению или сокращению нагрузки тока.

в процессе зарядки мобильные телефоны или другое портативное электронное оборудование случайно вставляются или удаляются из системы зарядки. Это также может привести к мгновениям. здесь, помимо защиты в переходный период, также необходимо управление энергией, чтобы приспособиться к внезапному увеличению или сокращению нагрузки тока.

интерфейс USB предназначен для улучшения высокоскоростного последовательного интерфейса между настольной системой и периферийным устройством. Кроме того, на интерфейсе UB имеется линия электропитания, которая может использоваться для питания периферийных устройств, подключенных к сети. если не загружено розетка USB, то она открыта. статическое электричество человека, создаваемое в розетке, приводит к импульсному разряду ESD на платы цепи, которая легко повреждает контроллер USB.

Вы должны убедиться, что в этой высокоскоростной шине защищены как линия данных, так и линия электропитания. Кроме того, хотя управление энергией уже включено в нормы USB, защита ESD пока не обеспечена.

оборудование TVS может быть использовано для обеспечения надлежащей защиты ESD. размещение компонентов и длина пути остаются важными вопросами проектирования. следует внимательно ознакомиться с тем же руководством по планировке. Убедитесь, что путь между линиями TV и защищенными линиями уменьшен, и убедитесь, что Устройство TV как можно ближе к узлу порта.

В соответствии с требованиями, установленными USB, управление энергией должно осуществляться с помощью модуля распределения энергии в твердотельных схемах. в главном компьютере PC они обеспечивают контроллеру IC защиту от короткого замыкания и сообщения об ошибках. в периферийных устройствах USB они используются для переключения портов, сообщения об ошибках и управления медленным снижением напряжения питания.

5. Energy distribution

если вы измените ток компьютера по сравнению с 10 лет назад, то это действительно удивительно. Плюс значительное увеличение частоты часов, PC и сервер находятся в очень высокой среде di / dt. например, если бы я была 2,5 мг / с, то была бы равна 4 * 151; 1500 с четвертью Ф, то нагрузка была бы в переходном режиме между пиками 200мв, а время восстановления - 50 мкс. проблема осложняется тем, что процессор входит в спящий режим, а затем быстро просыпается. возникновение переходных процессов от 20 до 30а в секунду превращает их в сложную задачу управления энергией.

с точки зрения преобразователей значение di / dt влияет на выбор выходного конденсатора и, более конкретно, на эквивалентное последовательное сопротивление конденсатора (ESR) и эквивалентную индуктивность последовательного соединения (ESL). для того чтобы преобразователи, работающие на низкой частоте, сохраняли заряд между двумя рабочими циклами, необходимо использовать электролитический конденсатор. Хотя эти Электролизные конденсаторы имеют большие емкости, они также имеют большие размеры ESR и ESL, которые противоречат намерениям конструкторов. Кроме того, конденсаторы для электролиза являются объемными и не подходят для технологии поверхностного монтажа и компактной упаковки.

есть другой способ снизить значение ESR и ESL, упростить процесс производства и сократить реальный объем производства. Вместо электролитического конденсатора можно выбрать керамический конденсатор с использованием преобразователя с более высокой точкой, что позволит получить вышеуказанные преимущества. В то же время, принимая решение о многофазных преобразователях, вы можете даже разделить потребности в нагрузке. каждый преобразователь должен иметь меньше входной емкости при одновременном обеспечении одинаковой общей емкости тока. Еще одно преимущество заключается в том, что уменьшается поток входной волны. в режиме однофазного преобразования входной ток жилки равен половине выходного потока. Таким образом, для системы 20A введите ток текстуры в 10A. Однако, например, для решения проблемы четырёхфазных преобразователей выходной ток будет распределяться в среднем между четырьмя трансформаторами. теперь каждый источник питания - 5а, а входной ток - 2а. Это позволяет использовать меньше и дешевле входных конденсаторов.

DellComputers (Quanta, Техас) разработал для своих высокоскоростных компьютеров и серверов дискретный, многофазный модулятор ширины пульса (PWM) контроллер и обратный преобразователь DC - DC. Он предназначен для удовлетворения неотложных потребностей в области управления энергией / энергией на основе передовых процессоров. С тех пор по просьбе Делла "семтек" интегрировала эту схему. после того, как многофазный контроллер и коммутатор будут решены, вы должны уделить особое внимание проблеме подключения платы. высокочастотные переключатели тока влияют на разность напряжения в коллекторе.

высокотоковая часть цепи должна быть снабжена первой линией. Вы должны использовать уровень земли, или ввести изолированную или полуизолированную плоскую область, чтобы ограничить поток заземления в ту или иную область. контур, состоящий из входных конденсаторов и выводов FET с высоким и низким боковым диском, состоит из всех основных токовых и быстрых переходных переключателей. соединение должно быть широким или широким, коротким или коротким, чтобы уменьшить индуктивность контура. Это уменьшит электромагнитные помехи (EMI), уменьшит ток, поступающий в землю, и снизит до минимума исходный звонок, чтобы получить более надежные сигналы переключения дверей.

связь между переходом и выводом датчиков FET должна быть как можно короче. выходной конденсатор должен быть как можно ближе к нагрузке. ток быстрой переходной нагрузки предоставляется конденсатором, поэтому соединительная линия должна быть широкой и короткой, чтобы минимизировать индуктивность и сопротивление.

контроллер лучше поместить в тихой плоской области, чтобы не допустить попадания импульсного тока в входные конденсаторы и петли FET. ссылки на высокую землю и низкую землю должны быть возвращены на землю в очень близком к узлу усилителя управления. аналоговое заземление с малым сигналом и цифровое заземление должны быть соединены с заземлением в одном из выходных конденсаторов. Не возвращайтесь к заземлению в входном контуре конденсатора / FET. цепь индуктивного сопротивления тока должна быть как можно короче.

работа с умом

Although the above examples illustrate some methods that can predict and avoid certain pitfalls of mixed-signal systems, Они не являются исчерпывающими.. Each system has its own challenges, у каждого дизайнера свои уникальные препятствия, которые нужно преодолеть. Whether dealing with more difficult protection or stricter energy management, Сначала нужно выбрать правильные компоненты. в отношении проблем, устройство управления коммутатором и телевизионной защиты, Выбор есть. правильное расположение их на платах показывает различия в управлении энергией и ее защите. продуманное расположение проводов и пластов на стыке является третьим ключевым вопросом. низковольтный телевизор

когда напряжение ниже 5V, традиционный PNTV практически не работает. Однако Калифорнийский университет в Беркли (Университет Калифорнии, Беркли) и семтек разработали усовершенствованный сквозной диод (эпд).

В отличие от традиционной структуры PN на лавинном TVS диодах, в приборе EPD используется более сложная четырехслойная структура n + p + p - n + 4. Он использует фотолегирование в p + и p - слоях, чтобы не допустить обратного смещения n + p + перехода в лавину.

Поскольку структура npn обладает более высокой подвижностью электронов и более совершенными характеристиками фиксации, выберите структуру npn вместо структуры pnp. при тщательном изготовлении полупроводниковой зоны P - базы полученные устройства обладают хорошими характеристиками тока утечки, фиксации и емкости в диапазоне напряжения от 2,8 V до 3,3 V.

7. бурный аппетит

нормы INTEL II требуют, чтобы ток увеличивался в пределах 500ns с 5A до 20A, а коэффициент конверсии - до 30A за микросекунду. многофазный контроллер PWM (Semiteck SC1144) функционирует более эффективно, чем требуется для выполнения задач. Она обеспечивает управление до четырех обратных преобразователей DC - DC для получения необходимой скорости и точности. встроенные 5 - битные DAC позволяют запрограммировать выходное напряжение на 50 МВт в качестве приращений от 1,8 до 2,05 Вт и на 100 МВт в качестве приращений от 20 до 3,5 в.

This multiphase техника генерировать четыре точно выходного напряжения. Then, сложить вывод из фазы четырех чисел для получения требуемого выходного напряжения и емкости тока.

With each converter operating at 2MHz, конструктор может заменить электролитический конденсатор керамическим конденсатором, and get the benefits of small size, поверхностный заряд, снижение ESR и ESL.