PCB Haberleri - PCB enerji tasarım rehberini çözümleyici

Mühendisler bir PCB elektrik dağıtım sistemini tasarladığında, ilk olarak tüm tasarımı dört parçaya bölüyorlar: elektrik tasarımı (bateri, dönüştürücü veya düzeltmek), PCB, devre masası kapasiteleri ve çip dağıtım kapasiteleri. Bu makale genellikle PCB ve çip kapasitelerine odaklanacak. Döngü tahtası kapasiteleri genellikle çok büyük, yaklaşık 10 mF veya daha büyük ve genellikle özel zamanlarda kullanılır.

Dönüştürme kapasitesini tasarlamak iki adım içeriyor. İlk olarak elektrik tabanlı kapasitenin değerini hesaplayın ve sonra kapasiteyi PCB'ye koyun. Tam olarak, dijital çipinden kapasitör ne kadar uzaktadır? Ama insanlar sık sık PCB'nin kendisi dekorasyon tasarımının bir parçasıdır. Bu makale devre kurulun tasarımı çözülmek için uygun olduğu konuşmaya başlayacak.

Çiftleme ihtiyaçları

Aslında elektrik temsili bir kablo ile dijital çipi için enerji sağlıyor. Bu güç sağlığı çipinden uzak olabilir. Elektrik kablosu 16 inç boyunca AWG kablosu ve 4 inç uzunluğu 20 mil izleri olması sıradan değil. Bu kablolar enerjinin yayılmasına etkili dirençliği, kapasitesi ve induksiyonu var. Bu kabloların uzunluğuna doğrudan proporsyonal ve en çok kalite sorunların sebebi.

Yönlendirme dikkatli olarak düşünmeli çünkü bu tamamen induktans ve dönüş dönüşünü karar verir. Bu dönüş dönüşü yapabilir ve muhtemelen elektromagnetik araştırmaları (EMI) radyasyonlayabilir.

Çipinin yanında küçük bir güç tasarımı (bir kapasitör gibi) yerleştirmek, kapsantörden çipinin Vcc'e kadar izlerin uzunluğunu azaltır ve bu yüzden dönüş alanını azaltır. Bu kablo induktans yüzünden gelen voltaj düşüşünü küçültürebilir. Dönüş döngüsü azaltıldığında, EMI de azaltılıyor.

Dijital çip U1'yi direkt elektrik temsiline bağlamak birkaç santim sürücü gerekebilir demektir. Parazitik indikatörler L2 ve R2 ile kapasitör C1, çip'e yakın devre girebilir, mesafe 1 santimden az (Figure 1). L3 C1 ve U1 arasındaki kablo induktans. L1 ve R1 elektrik tasarımından kapasitöre kadar kabloların parasitik parametridir.

Bu şekilde, izler uzunluğu mil seviyesine düşürülebilir ve kablo impedansı uygulanabileceği kadar düşürülebilir. C2 burada çok önemlidir, elektrik teslimatının ne kadar karşılık sağlaması gerektiğini belirliyor. C2 U1'in iç yükünü ve U1'in sürmesi gereken dış yükünü temsil ediyor. S1 kapatıldığında bu yükler enerji kaynağı ile bağlanıyor ve hemen akışını istiyor.

Elektrik tasarımı ve değiştirme arasındaki önemli engel kaynağıdır. Örneğin, 10 mil genişlik izleri için dirençlik, kapasitet ve induktans yaklaşık 0,02Ω/in, 2 pF/in ve 20 nH/in. Bunlar PCB tahtalarında kullanılan izler (mikrostrip ve strip çizgi) ve kablolar için tipik veriler. Frekans yaklaşık 100 kHz'den yüksek olduğunda, induktiv reaksiyonu j Ω l'in en önemli impedansı.

Bu yüzden C1'nin arttığı iki etkisi var. Birisi, elektrik temsili ve çip arasındaki yönetme etkisini azaltır. Bu, doğru devre operasyonu için gereken voltaj altından azalmaktan V1 (yani Vcc ile U1) koruyacak. Ayrıca, yüksek frekans akışları ve corresponding EMI alanını azaltır.

Bu yüzden kapasitör V1'i tutuyor, ama V1'yi ne kadar yüksek tutmalı? Bu problemin genellikle aygıtın sesli sınırına odaklanması gibi, en az voltaj gürültü margini VNmmin gibi, bu gürültü margini oluşabilir ve hala doğru devre operasyonuna izin verebilir. (Bu hesaplamak biraz zor, çünkü gerçek değer yarı yöneticinin sesli sınırına bağlı, bu da yaklaşık elektrik teslimatının voltajıyla proporcional olduğu için) Şekil 1'e göre, doğru işlem, a şağıdaki şartların uygulanması gerektiğini anlamına gelir:

VNmmin â€137;¥ VPS? VZmax (1)

Bu şekilde, VZmax tamamen L3'e düştü.

Şimdiye kadar düşünmeliyim. Basit olarak, bu, dijital girişi tarafından gerekli şu anda, tasarım mühendisi temsilini sağlamalı. Çünkü bu, gerekli maksimum akışı, Imax, enerji temsili arasındaki maksimum impedance Zmax ve değiştirmekten daha büyük olmayacak:

.Zmax.â 13017;¥(VZmax/Imax) (2)

Elektrik tasarımından çip'e doğru dönüştürücü 15 santim uzunluğunda 16-AWG kablo ve 4 santim uzunluğunda 20 mil genişliği izler, 100 nH incelemesi sağlayacak. Bazı frekanslar f'de, etkileyici reaksiyon toleranlı Zmax'den daha büyük olacak. Bu frekans indukatörün impedans denklemini değiştirerek alınacak:

fmax = .Zmax./2πL (3)

Bu frekans üstünde, C1 aygıt tarafından gereken sesli sınırları uygulamak için yeterince voltaj sağlayamaz ve bilgi başarısız olarak yayılamaz.

Dönüştürme kapasitörü PCB tahtasındaki çipler için "yüksek frekans" akışını sağlar, elektrik teslimatı "düşük frekans" akışını sağlar. Kapacitörün boyutunu belirlemek için ilk fmax hesaplamak için gereken bilgileri toplayın. Fmax frekansında enerji kaynağı tarafından sağlanmış "düşük frekans" ağızı azaltmaya başlar. Aynı zamanda, U1 yükü tarafından gerekli sıralar, bu cihazları başarıyla çalıştırmak için voltaj ve dönüştürme zamanı da gerekli.

Bu değerleri almak için kapasitörün parazitik komponentleri düşünmeli. Dönüştüğünün gerçekleştiğinden kısa bir süre sonra, U1'nin ana güç kaynağı kapasitörü ve parazit komponentleri eşittir seri direksiyonu (ESR) ve eşittir seri induksiyonu (ESL). ESL iki bölüm içeriyor: kablo induktans ve kapasitör induktans. Eski tasarım mühendislerinin en azından azaltmaya çalıştığı şey, sonuncusu toleransız olmalı.

Dijital N ve U1 sürücüsünün kullanılması gereken kapasitet yükünü ilk olarak belirleyin. Bu sayı ve sonraki çip'in kapasitetli girişi ve zamanında voltaj değişikliği maksimum akışın gerektiğini belirliyor. Şimdi tanıdığım formül I=C*(dV/dt) ile belirlenebilir:

0 V'ye VPS'e geçiş sırasında voltajın en kötü değişikliği. Karışık voltaj parças ını tasarladığında, 3.3V/5V gibi doğru voltaj kullanın.

Mantık cihazın U1 puls değişiminin yükselmesi zamanı. Yükselen zamanı hesaplamak için çok yol var, yani en kötü durumda yükselen zamanı ya da en hızlı yükselen zamanı kullanın. Şimdi yük tarafından aşağı çekilmiş ağırlık kapasitesinden gelir, bu yüzden kapasitör değerini hesaplamak için bu formülü kullanın:

C=I/(dV/dt) (5)

Şimdi dekorasyon kapasitesinin değerini belirlediğimize rağmen tasarım henüz tamamlanmadı.

Kapacitör düzeni

Sonra tasarım mühendisi PCB'ye kapasitörünü nereye koyacağını belirlemeli. Çipler arasındaki izlerin kapasitesini ve izlerini küçültürebileceği yere koyulmalı. İzleme uzunluğu olmadan da azaltılması gerekiyor. PCB'ye kapasitörleri yerleştirirken, izler uzunluğunu azaltmak yerine induktans azaltmak daha fazla tasarlama özgürlüğüne izin verecek. İlk olarak tasarım mühendisinin maksimum tasarım özgürlüğünü korumak için maksimum mühendislik uzunluğunu belirlemesi gerekiyor.

Prozesi şu şekilde: tasarım mühendisinin fmax (Eq. 3) üzerinden çalışan bir kapasitöre ihtiyacı var. Bu yüksek bağlı frekansları belirlemek için ideal dijital dalga biçimi çıkışını ve bu biçimi belli derece korumaya ihtiyacı vardır. Bu sinyal bütünlük tasarımının küçük bir parçası.

Bir ideal dijital devre bir dörtgenç impuls sonraki devre gönderir. Aslında, dikdörtgenli pulsler fark edilemez ama trapezoidal pulsler fark edilebilir. Trapezoidal pulunun Fourier dizisini kontrol edin ve trapezoidal pulunun temel frekanslardan ve tüm harmoniklerden oluşturduğunu bulun. Tabii ki, her şeyi birleştirerek, orijinal trapezoidal puls anlayabilir.

Eğer bütün harmonik birlikte eklenmezse ne olur? Ya ilk 5 ya da 10 harmonik eklenirse? Trapezoidal pulsleri oluşturacak kadar harmonik var mı ki giriş devresi değişiklikleri kolayca tanımayamaz? Gerçekler, çoğu durumda, ilk 10 harmonik eklemek, iyileştirilmiş dalga formunu çoğu devreler aptalca yapabileceğini kanıtladı. Bu da demek oluyor ki, çoğu devreler değişiklikleri fark etmeyecek. Bu, kapasiteleri dizayn etmekte kullanılacak en yüksek frekans belirliyor. Diğer teklif edilen metodu, en yüksek frekans, tr'in puls yükselmesi zamanının nerede olduğunu belirlemek için f=1/tr kullanmak. Bu frekanslarda, harmonik enerji çok küçük ve 40 dB/on yılın hızından çıkıyor.

Şimdi en kötü durum senaryosunun altındaki temin voltasyonunda toleranlı değişiklikleri belirlemek ve tasarımı başlatmak mümkün. CMOS için bu sayı VOH-VIH'i önden yüklemektedir (veri sayfasından bu değerleri kontrol edin). En kötü durumda değişiklikler:

V = VCC(nominal)-(VOH+10%*VCC) (6)

Yüzde 10 enerji temsilcisinin düşürme faktörü.

Denklem 6 ve induktor akıcı ve voltaj kullanarak, maksimum sağlayabilen induktans L'i belirleyin:

L=V/(dI/dt) (7)

Aralarında L, kapasitörler, izler, kabloları ve ipleri ile bağlantı çip ve vb. tarafından tanıtılan toplam seri indikatörlüğüdür. dI, maksimum şu anda değişiklik ve dt şu anda yükselme zamanıdır.

İzle uzunluğu

İki ya da daha fazla kapasitör için, çipinin enerji giriş parçalarına paralel bağlantıları farklı izler uzunluğu var. Efendisel izler uzunluğu kapasitörün ne kadar uzakta yerleştirilebileceğini belirliyor. İzlerin uzunluğu izlerin incelemesiyle doğrudan bağlı. Bu yüzden etkileyici izler uzunluğu paralel induktans formülü ile alınabilir ve etkileyici izler uzunluğu IE'dir:

IE=(I1*I2)/(I1+I2) (8)

Aralarında, I1 ve I2 paralel kapasitelerin uzunluğu. VCC pipinden her paralel kapasitörün maksimum uzağı IE'dir.

Kapacitör seçildiğinde ve PCB'ye yerleştirildiğinde kapasitet ve parazit etkinlik nerede görüneceğini kontrol etmek gerekir. Resonans frekansı, bu formül tarafından alınabilir:

f=1/2π=π‚LC (9)

L=IE SL + LTRACE nerede?

Bu frekans üstünde kapasitör hızlı bir etkileyici olur. Rezons frekansı 10 * fpuls'dan daha düşük bir frekans içinde olursa, kompromis ölçülerini almak için dizaynı kontrol edin.

Çoklu çözümleme kapasitelerini kullan

Eğer aynı kapasite değeri olan N kapasiteleri kullanılırsa toplam ESL ve ESR 1/N'e düşürülecek (2. görüntü). Bu bir özel durum, elektrik temsili ve toprak arasındaki kapasiteler eşit olduğunda. Ayrıca induktörler arasındaki karşılaşma küçük olduğunu tahmin ediliyor. Aynı kapasitet değeri olan N kapasitörlerin impedans eğri tek bir kapasitörün eğrilerine yakın.

Eğer farklı kapasite değerleri olan N kapasiteleri kullanılırsa ESR ve ESL düşürülecek, fakat rezonans en yüksekliğini impedance eğrilerinde tanıtılacak ve ciddi tasarım sonuçlarını (3. figür). İzlerin uzunluğunun aynı olduğunu tahmin ediliyor.

PCB kullan

PCB'yi unutma. Yaklaşık ücretsiz olarak sağladığı birçok faydası yok etmek tasarım maliyetlerini arttıracak ve fazla komponenti ekleyecek. Bu fazla komponentler artı uzay alır, tüm güveniliğini azaltır ve muhtemelen EMI'yi artıracak.

Denklem 10 paralel güç uçakları için impedance formülünü verir. Bu sadece LRC devresinin impedance formülü. PCB bir yayım hattı gibi çalışmaya başladığı sürece bu formül faydalı. Diğer sözlerde, eğer l<λ/20 ise faydalı olur. I'nin PCB (diagonal) ve Î'nin en yüksek frekanslarına bağl ı dalga uzunluğu olduğu yerde.

Bu noktaya kadar, PCB impedance neredeyse kapasitedir ve bağlantı kapasitesinin kesilmesi frekansiyonunun üzerindeki tüm gerekli akışını sağlayabilir. Çünkü ESR çok küçük ve parazit etkisi de çok küçük, PCB, relatively geniş frekans menzilinde çok düşük impedans gösterecek.

Eğer PCB'nin iki yakın güç ve yeryüzü uçakları varsa, dizaynda iyi iç kapasitesi var. Paralel uçak kapasitesi için hesaplama formülü PCB kapasitesini belirlemek için kullanılabilir:

C(pF)=ε(A/d)=0,225(εr /d)A (11)

Yukarıdaki formülün son kısmı in ç olarak ölçülürken geçerli. Aralarında ε = ε0*εr, ε0 havanın dielektrik konstantüdür, 8,85 pF/m ve er kapasitör platelerin arasındaki ortamın relativ dielektrik konstantüdür. FR4 materyalleri için er 4,5 eşittir. A, kapsantör plakaları arasındaki bölge ve d, plakalar arasındaki mesafe.

Aslında, PCB'nin karşılığını VCC pipine girmesi için yüksek frekans sınırı yok. PCB tasarımı karmaşık bir konudur ve yüksek sınır frekansiyonunu arttıracak birçok medya var. FR4 materyaller için, üst sınır frekansları menzili çok yüksektir, 2 GHz'den fazla. Bu da en çok otomatik PCB devrelerinin üst sınır frekanslarının sınırsız gibi görünüyor. Aslında, üst sınır frekansiyonu PCB'nin en yüksek boyutlu l ve en az dalga uzunluğu Î ile belirlenir.

Maalesef, PCB'nin toplam kapasitesi otomatik tasarımda çok küçük. FR4 dielektrik olarak kullanıldığında, masa boşluğu 20 mil ve sabit güç ve toprak uçak kapasitesi vardır, PCB kapasitesi genellikle yaklaşık 53 pF/kare inç. 4 katı FR4 PCB'nin belirli bir dizilektik kalınlığı olacak. Bu değişiklik süreç değişikliklerinden, bütün kurulun gerekli kalınlığından, gerekli elastik veya zorluktan, bakra kalınlığından gelir (dielektrik kalınlığına etkileyici) ve kırılma voltaj ihtiyaçlarından. Özel ihtiyaçlar olmadan, PCB dielektrik kalınlığı 0,5'den 0,8mm'e değişir.

PCB kapasitelerinin kalitesi genellikle çok iyi, çünkü çok küçük etkileyici var. Daha önce bahsettiği gibi, induktans, frekans ile kapasitör degradasyonun ana sebebi.

Kapacitörün küçük boyutu fark etmeye değer bir faktördür. PCB'deki akışını etkili olarak sağlayabilecek kapasitet değeri genellikle 500 pF/kare inç üzerinden fazla. Bu değeri FR4 tahtasında almak imkansız. Özel PCB tasarımı ve materyaller gerekiyor.

EMC faydaları

İyi tasarlanmış bir elektrik dağıtım sisteminden elde edilen sinyal bütünlüğünün yanında PCB'ler de a şağı EMI'yi indirecekler. Daha önce bahsettiği gibi, bu genellikle azaltılmış döngü alanına neden oluyor. Bu iki şekilde açıklandı. İlk olarak, Faraday'ın kanunun A'nın döngü alanı, diğer devreler arasından akışan ışıklar üzerinden devre voltaj getireceğini s öylüyor.

VINDUCED(V)=[(?AN/2πd)*(dI/dt)*cos(θ) (12)

Aynı şekilde, dijital devrelerde, şu döngü yüzünden sebep olan elektromagnetik alanın basitleştirilmiş ifadesi küçük dönüşün düşük radyasyon olduğunu gösteriyor:

E(V/m)=263*10-16*[f2A(I/r)] (13)

Para etkileyici

İyi tasarlanmış bir elektrik dağıtım sistemi maliyetleri kurtarabilir. Denklem 14, aygıt düşürme ve maliyeti düşürme arasında basit bir ilişki verir.

Şimdiye kadar, tartışma çeşit tarafından akışını veriyor. Ama tasarımcı, şu akışını çip'e sınırlamak isteyebilir. Unutmayın, bir çip yüksek sınır frekansı (10 * fmax) veya 1/πtr'den daha düşük olduğu sürece iyi çalışabilir. Tasarımcı bu frekanslarda hiçbir akıya dokunamaz. Ama bazı yüksek frekans ötesinde, çip akışı olmadan iyi çalışabilir. Ayrıca, bu akışlar EMI üretilebilir, bastırılabilir ve bu yüzden EMI azaltır.

Yukarıdaki şey PCB enerji teslimatı tasarım rehberine bir tanıtımdır. Ipcb, PCB üreticilerine ve PCB üretim teknolojisine de sağlıyor.