PCB Blogu - Yüksek hızlı PCB Tahta Güç Integrity Simülasyonu

Daha hızlı sinyal kenarlarıyla, bugün yüksek hızlı dijital tasarımcıların karşılaştığı sorunlar PCB tahtası birkaç yıl önce hayal edilemez.. Sinyal kenarının 1 nanosekondan az değişiklikleri için, PCB üzerindeki yerel katı ve elektrik temizleme katı arasındaki voltaj devre masasında her yerde aynı değil., Bu, IC çipinin güç tasarımına etkiler ve çipinin lojik hatasını sebep ediyor.. Hızlı aygıtların doğru işlemini sağlamak için, tasarımcılar böyle voltaj fluksiyonlarını yok etmeli ve düşük impedance elektrik dağıtım yollarını korumalı.. Bunu yapmak için., elektrik ve yeryüzü uçaklarında yüksek hızlı sinyaller tarafından oluşturduğu sesi azaltmak için devre tahtasına kapasiteleri çıkarmalısınız.. Kaç kapasitörü kullanacağını bilmen gerekiyor., her kapasitörün değeri, ve onları masaya nereye koyacağız. Bir taraftan., bir sürü kapasitöre ihtiyacınız olabilir, Ve diğer taraftan, devre masasındaki uzay sınırlı ve değerli, ve bu detaylar tasarımın.

Araştırma ve hata tasarımın yaklaşımı zaman tüketmesi ve pahalıdır, sık sık sık gereksiz üretim maliyetlerini ekleyen fazla sınırlı tasarımlar sonucudur. Tahta tasarımlarını ve tahta kaynakları kullanımını simüle etmek ve optimizlemek için yazılım araçlarını kullanmak, farklı masa yapılandırmaları için tekrar deneyen tasarımlar için daha pratik bir yaklaşımdır. Bu makale bir fiber/geniş bandı kablo a ğ için xDSM (Dense Subcarrier Multiplexing) devre tahtasını kullanarak bu işlemi gösteriyor. Yazılım simülasyonu aracı, hibrid dolu dalga s ınırlı elementlerin teknolojisine dayanan Ansoft'in SIwavesini kullanır ve tahta tasarımlarını düzenleme araçlarından doğrudan Cadence Allegro, Mentor Grafik BoardStation, Synopsys Encore ve Zuken CR-5000 Tahta Tasarımcısından indirebilir. Şekil 1, SIwave'daki tasarımın PCB dizaynıdır. PCB yapıs ı planlanmış olduğundan beri, SIwave etkileşimli bir analiz yapabilir ve analiz çıkışı tahtasının resonans, impedance, seçilen a ğ S-parametreleri ve devreğin ekvivalent Spice modeli dahil ediyor. XDSM tahtasının boyutları, yani güç ve toprak uçakları, 11 x 7,2 inç (28 x 18,3 cm). Güç ve toprak katları her ikisi de 23,98mil kalın bir süsler ile ayrılır. Tahtanın tasarımını anlamak için ilk olarak, xDSM tahtasının boş tahtasını (bağlı bir komponent) özelliklerini düşünün. Yüksek hızlı sinyallerin yükselmesi zamanına bağlı, 2 GHz kadar kadar frekans alanında kurulun davranışlarını anlamanız gerekiyor. 2. görüntü sinusoidal sinüel sinüel sinüel sinüel sinüel tarafı 0,54GHz'de rezonet etmek için tahtayı heyecanlandırdığında voltaj dağıtımı gösteriyor. Aynı şekilde, tahta 0,81GHz ve 0,97GHz ve yukarıda rezonans ediyor. Daha iyi anlaşılmak için, bu frekanslarda güç ve toprak uçakları arasındaki voltaj dağıtımın aynı zamanda benzetilebilirsiniz.

0,54GHz'de rezonant modunda, güç uçağı ve toprak uçağı arasındaki voltaj farkı sıfır olarak değişir. Aynı şey, bazı yüksek frekans rezonans modları için doğru. Fakat bu durum tüm rezonant modlarda değildir. Örneğin, 1.07GHz, 1.64GHz ve 1.96GHz'deki yüksek sırada rezonant modlarda, masanın merkezinde voltaj farklı değişiklikleri sıfır değil. Sıfır boş değişikliğin noktasını bulmak, kısa bir sürede büyük zamanlı değişiklikler gereken aygıtları yerleştirmemize yardım eder. Örneğin, eğer bir Xinlix FPGA çipi devre tahtasına yerleştirilseydi, çip 0.2 nanosaniyede giriş akışındaki 2A değişikliğini üretirdi. Kısa bir sürede böyle büyük bir zamanlı değişiklik devre tahtasının güç integritet sorunu oluşturacak. Bu da devre tahtasının çeşitli rezonans şeklinde üretilmesini sağlayacak, elektrik teslimatı katmanında ve yeryüzü katmanında eşit bir voltaj oluşturacak. Ancak bazı rezonant modlarında tahta merkezinde sıfır çöküş özellikleri var, bu yüzden FPGA çipi buraya koymak bu düşük frekans rezonant modlarını tahtada kaçırır. FPGA çipi bu düşük frekans rezonans modlarını heyecanlandıramaz çünkü board merkezinden bu rezonans modalarına bağlanmak mümkün olmayacak. Tahtanın merkezindeki çip enerji uçağından akışını çektiğinde, gümüş eğri rezonans oluşturduğunu gösteriyor. Aslında en yüksek sıradaki rezonant frekanslarında 1,07GHz, 1,64GHz ve 1,96GHz görünüyor ama beklediğimiz gibi düşük sıradaki rezonant frekanslarında değil. Gümüş eğri, tahta merkezindeki çip elektrik uçağından akışını çektiğinde sebep olan rezonans gösteriyor; Yeşil eğri çip merkezde yerleştirildiğinde cevabı gösteriyor.

Aygıt yerleştirilmesi ve yerleştirilmesi güç integritet sorunlarını azaltmaya yardım edebilir ama tüm sorunları çözemezler. Öncelikle, büt ün kritik komponentleri tahta merkezine koyamazsın. Normalde, aygıt yerleştirme fleksiyeti sınırlı. İkincisi, her yerde heyecan verilecek bazı rezonant modları vardır. Örneğin, Şekil 3'deki yeşil eğri bazı aksi boyunca çipini merkezde yerleştirdiğinizde 0.54GHz rezonant modu heyecanlı olacağını gösteriyor. Bir devre tahtasının PDS (elektrik dağıtım sistemi) tasarlaması başarılı olarak elektrik teslimatının bütünlüğünü s a ğlamak için uygun yerlerde kapasiteleri dağıtmak ve yeryüzünün s ıçrama sesi yeterince geniş frekans menzilinde yeterince küçük olmasını sağlamak.

Çiftleme kapasitörü

0,2n yükselen kenarında 2A'yi batıran FPGA'yi hayal edin, bu noktada temsil voltajı geçici olarak düşürüldü ve toprak uçak voltajı geçici olarak (toprak sıçraması). Değişikliklerinin büyüklüğü, tahtın impedansı ve şimdilik sağlamak için çip bias pins'deki kapasitelere bağlı (4.a Şekil). Ağımdaki geçici değer 2A olduğundan dolayı, voltajın geçici değeri V=Z ñI tarafından belirlenmiş, Z, çip sonundan görülen impedans, bu yüzden, DC'den sinyal bandwidth'e kadar en yüksek fluksiyondan kaçırmak için, Z değeri belli bir eşiğin altında olmalı. Değişikliklerinin büyüklüğü tahtın imkansızlığına ve şimdilik sağlamak için çip bias pinlerindeki kapasitelere bağlı; voltaj örgütlerini kaçırmak için, Z değeri DC'den sinyal bandwidth'e kadar belirli bir frekans altında olmalı. sınır değeri. Görüntüdeki nokta çizgi parçası PDS impedance'ın buluşması gereken hedef alanıdır. Bu tasarımda, güç integritesini korumak için, güç-yere voltaj fluksiyonları 3.3V'nin standart değerinin %5'inde tutmalı. Bu yüzden gürültü 0,05ñ3.3V=165 mV'den daha büyük olamaz. Buna göre PDS impedansı Ohm yasasına göre hesaplanabilir: 165mV/2A=82.5mΩ

Frekanslar için genellikle 1 kHz veya düşük enerji teslimatı impedans özelliklerine uyuyor ve enerji teslimatı ve yeryüzü uçaklarının yapısı genellikle impedans özelliklerini yok etmiyor çünkü düşük dirençliği ve induktans özelliklerini gösteriyor. Ve frekans 1kHz'den yüksek olduğunda, şu anki yolun karşılaşması büyüklüğü, voltajın sınır değerini a ştırması için, yüksek frekanslar için göre, elektrik uçağı ve toprak uçağı arasındaki düşük impedans bağlantısı olarak gerekli. PDS impedans ihtiyaçlarını yerine getirmek için gereken sinyal bandwidth, bu denklemde bandwidth 1,75GHz'dir.

Böyle geniş bir bandwidth ulaşmak için genelde çok yüksek frekans keramik kapasiteleri MHz sinyal bölgesinde yerleştirmek ve kHz sinyal bölgesinde daha büyük elektrolik kapasiteleri yerleştirmek gerekir. Diğer parçalarla birlikte, bu kapasitör matrisleri değerli tahta alanını alır. Fiziksel prototipler deneme ve hata tasarım metodlarında gerekli, ve sanal prototipleme teknolojisi tasarımcıların fiziksel prototiplerin ihtiyacı olmadan bu sorunu çözmesine izin verir. Bu örnekte xDSM tahtası gibi bir PCB tahtası için PDS tasarımı kullanarak, IC çipine liman yerleştirmek için SIwave kullanır ve tahtasının girdi impedansını uygun bandwidth içinde hesaplar. Şekil 5'deki kırmızı eğri tahtada bir kapasitör olmayan impedance'i gösteriyor. İki impedans eksi de frekans eksi de logaritmik koordinatları alır. Simülasyon tahta kapasitesinin etkisini gösterir ve enerji tasarrufu üzerinden düşük etkili dönüşü görmezden geler. Grafikten görebiliyorsunuz ki, impedance düşürme frekansları ile artıyor, fakat güç sağlığından geçen dönüşün de düşük impedans olduğundan dolayı, bu ilişki düşük değil. Kırmızı eğri devre masasında kapasitör yokken impedans gösteriyor; Karanlık mavi eğri yeniden ayarlandıktan sonra impedance karakteristikleridir; ışık mavi eğri, 10nF kapasitör matrisini ekledikten sonra impedance eğri; Renkli eğri 1nF kapasitör matrisini tekrar eklediğini gösterir. sonuç. Z=1/(j ·C'e göre, kırmızı eğirdeki doğru çizgi, masanın kendi kapasitesinin 74nF olduğunu gösteriyor. 1 MHz'de 82,5mΩ hedefi engellemesinin altında tutmak için kapasitör değeri en azından 2µF —neredeyse 30 kere kurulun kendi kapasitesinden daha fazla olmalı. Bunun için 22 0,1μF kapasitör matrisleri önce eklenmeli. Görüntüdeki karanlık mavi eğri yeniden yazılmış impedans özellikleridir. Çoğu frekans alanlarında tasarım impedans özelliklerinin ihtiyaçlarına uyuyor. Ama bandgenişliğin yüksek sonunda, kapsantörün ESL (ekvivalent seri induktans), ESR (ekvivalent seri direksiyonu), ve kapasitör uzayına sebep olan ekstra induktans impedance kurşunu impedance özelliklerinin ihtiyaçlarına uymuyor. Küçük kapasitörler daha küçük ESL ve ESR değerleri olduğundan dolayı, bypass eklemek yüksek frekans özelliklerini geliştirmek için yardımcı oluyor. Şekil 5'deki ışık mavi eğri, başka bir 10 nF kapasitör matrisini ekledikten sonra impedance eğri. Yeşil eğri 1nF kapasitör matrisini tekrar ekledikten sonra sonuçlarını gösterir. Her kapasitet matrisinin eklenmesi impedans özelliklerini geliştirir, fakat sonuç yine de impedans özelliklerini karşılamak için yeterli. Tasarımın bu sahnesinde tasarımcı tasarımı tamamlamak için devre simülasyonuyla birlikte elektromagnet simülasyonu ekleyebilir. Bu yaklaşım tasarımcıların enerji yükleme etkisi dahil, düşük taraflı impedans örneklerini modellemesine izin verir. Bu da elektrik uçağı gürültüsünü doğrudan doğrudan doğrudan doğrulamak için elektrik uçağı gürültüsünü doğrulamak için direkten etkileyebilir. Elektrik uçağı engellemesinin fazla analizi tarafından sebep olan gereksiz tasarımın üstünden kaçınmasını engelleyebilir.

İlk seçilen yerlerde girdi ve çıkış portları eklenmeli. Liman yukarıdaki bir IC çipi üzerinde eklendi, sonra bir liman enerji girdi sonunda eklenmeli ve diğer iki çip ayarlama pozisyonunda iki liman eklenmeli. Sonra SIwave'da, tüm bandwidth üzerinde 4x4 S parametrü yayılan matris alabilirsiniz. Daha fazla analiz için Spice ile uyumlu devre dosyaları oluşturmak için tam dalga Spice Spice kullanılabilir. Oluşturulmuş devre dosyasında, PCB tahtası devre merkezinde. Dört dosyası da FPGA'nin modelini de dahil ediyor. Ağımdaki sonda ve farklı voltaj sonunda bulunan bir kaynak. Dolu dalga Spice tarafından oluşturduğu Spice devresi de yukarıdaki üç kapasitör matrisi dahil ediyor. IC'de dördüncü bir kapasentör matrisini eklemek yüksek taraflı impedansı daha da azaltır. Dört aynı zamanda, 1nF'den 100µF'ye kadar küçük bir miktar kapasiteleri olan DC elektrik tasarımı da dahil ediyor. Ayrıca, 100 nF kapasitörü tarafından çevrelenen iki diğer IC çipinin modelleri de dahil edildi.

The blue and green curves represent ... power integrity curves of the IC chip without adding and adding a set of capacitor matrices, yönünde; Kırmızı eğri, çipinin girdi akışının aniden değişimini temsil ediyor.. FPGA'nin güç teslimatı voltasyonu için ses simülasyon sonuçları gösterilir. Kırmızı eğri, çipinin girdi akışındaki aniden değişiklikleri temsil ediyor - şu anda 0A ile 2A ile 0'da bulunan değişiklikleri..2 nanosaniye. Mavi eğri, IC çipinin voltaj eğri bir takım kapasitör matris eklemeden temsil ediyor.. 3 ile karşılaştı.3V, voltaj fluksiyonu zaten çok küçük., ama hâlâ %5 belirlenmesini aşıyor.. Yeşil eğri, dördüncü grup kapasitör matrisini ekledikten sonra voltaj fluktuasyon eğri temsil ediyor., Ve son tasarım, elektrik sağlığının 165mV'den daha az olmasını gereken belirlenmesi ile karşılaşıyor.. Tahtadaki diğer çipleri de aynı şekilde analiz edilebilir ki güç düşükleri ve toprak düşükleri tarafından etkilenmeyeceklerdir.. Bu örnekte, diğer iki çip 100 mA ve 50 mA çizdi., ve gürültüye katkı oldukça küçük.. PCB tahtası- yüksek hızlı devrelerin dizaynı çok zor.. Devre'in doğru operasyonunu sağlamak için, devre polislerinin dikkatli tasarlanması gerekiyor., devre masasına yüzlerce kapasitör eklemek ve ihtiyaçlarına göre uygun kapasitör değerini ve yerini seçmek üzere. Deneme ve hata tasarımı yöntemi yerine sanal prototipin simülasyon yöntemini kullanarak güç yeteneğinin tasarımını iyileştirmek içinPCB tahtası tasarım döngüsünü kısayabilir ve tasarım maliyetini kurtarabilir.