PCB Teknik - Yüksek hızlı PCB tasarım rehberliği II: Karışık sinyal sistemlerin tasarımından kaçın

Abstrakt: Bugünkü SOC'nin başarıyla kullanılması için tahta seviyesi ve sistem seviyesi tasarımcıları komponentlerinin en iyi yerini, düzenleme izlerini ve koruma komponentlerinin kullanmasını anlamalıdır.

Dijital cep telefonları olarak adlandırılır, fakat daha önce analog cep telefonlarından daha fazla analog fonksiyonları içeriyor. Aslında, sürekli durum değerlerini (sesi, görüntü, sıcaklık, basınç, etc.) işlemek için gereken her sistemin analog fonksiyonu olacak. Dijital kelimesi isminde göründüyse bile. Bugün multimedya PCleri istisna değildir. Ses, video girdi ve çıkış, ısınma merkez işleme birimi ve yüksek performans modemlerinin acil sıcaklık kontrolü var. Bu sistemler de karışık sinyal fonksiyonlarının listesindeki öğelerdir. Ayrıca daha fazla.

İki sistemin trendi, hibridleri tasarlayan insanlara yeni sorunlar getirir. Taşınabilir iletişim ve hesaplama aygıtlarının sesi ve ağırlığı azaltmaya devam ediyor, fakat fonksiyonları artmaya devam ediyor. Masaüstü sistemi merkez işleme birimi kapasitesini ve iletişim periferilerinin hızını geliştirmeye devam ediyor. Emin olmak için modern dijital devre tahtalarını dizayn etmek çok zor, çalınmadan, gürültülü hatalardan uzaklaştırılmış ve toprak potansiyel sıçramadan kaçırmaktan uzaklaştırılmak. Ancak, kare dalga heyecanlandırma dijital veri hatlarının yakınlarında gürültüye karışabilen analog sinyal hatlarını eklerseniz, sorun daha ciddiye dönüyor.

Çip seviyesinde, mevcut SOC (çip sistemi) logik devreler, analog devreler ve termodinamik tasarımlarda uzmanlık gerekiyor. Bu IC, tahta seviyesi ve sistem seviyesi tasarımcılarının en iyi komponentleri, yol izleri ve korumalı komponentleri nasıl yerleştirileceğini anlamak zorundayız.

Bu makale şu anda karışık sinyal sistemi tasarımında ortak durumları tanımlıyor ve onları temizlemek veya kaldırmak için bazı rehberler sağlıyor. Ancak, özel sorunlar ve teklifler yapmadan önce sistem tasarım-miniaturizasyon ve bu sorunları nasıl etkilendiğine ve hızlı hızlı etkilendiğine dair detaylı bir bakmak için büyük bir yardım olacak.

1. "Yüksek hızlı" treni

1999 yılında bu beş yıl önce, orta alan bilgisayarının belirtilerini karşılaştırarak, merkez işleme birimi hızı büyüklük sıralarına yaklaşık bir şekilde arttı ve CPU kullanılan şu and a büyüklük sıralarına yaklaşık arttı. Yüksek akışımla yüksek hızı birleştirdiğinizde, V=L (di/dt) ilişkisinin "di/dt" parçasını çok geliştirir. Aslında devre tabağındaki yarım santim uzun bir televizyon üzerinde 1 volt fazla voltaj etkileyebilir. Dönüştürücü için toprak potansiyel referens çizgi voltaj etkileyecek, bu da operasyonun durmasına sebep olabilir.

Bu yüksek hızları elde etmek için, IC'ler derin altmikronun boyutları ile tasarlanmış ve üretiliyor (örneğin 0,35μm). Bu geometrik boyutunu azaltıp daha hızlı performansı sonuçlarına rağmen, bu aygıtları geçenler tarafından yüzleştirilen zayıf ve hasar nedeniyle daha büyük ihtimalle yapar. Ayrıca, bu cihazlar da daha sert enerji yönetimi gerekiyor, daha çok ciddi sağlayabilen voltaj alanlarına uygulamak için.

Şimdiki 10/100Ethernet a ğ arayüz kartı (NIC) iyi bir örnektir. Orijinal 10Base-T çip büyük boyutlu CMOS aygıtıdır. Bu yüzden fazla voltaj hasarına karşılaştırılmaz. Yine de yeni çip 0,35μm'in genişliğini kullanır. Bu, elektrik enerji ve yıldırım yüzünden gelen geçmişler için kilitlenme ve başarısızlığı yüzünden çok hassas.

Modern sunucular, SMP (simetrik Çoklu işleme yetenekleri) mimarıyla ve CPU 500MHz ya da yukarıdaki frekanslarda çalışan enerji dağıtım zorunlarının iyi örneklerdir. Sadece 5V elektrik tasarımı inşa edemezsiniz ve bağlı otobüse doğru yolu gösteremezsiniz. 500MHz'de 20.A veya 30A'ye bağımsız bir dönüştürücü gerekiyor, bu dönüştürücüler Supply gücü için daha büyük bir ilk voltaj kaynağı artırıyor.

Bu trende sıcak değiştirme kapasitesi gerekiyor, yani şimdiki sisteme devre tahtalarını girmek veya kaldırabilirsiniz. Bu da geçmişler olacağını tahmin etmek. Bu şekilde, yerleştirilmiş tahta ve anne tahtası da doğru korumalı.

İki miniaturasyon ve yüksek hızlı trenlerde özel sorunları var. Örneğin, yüksek a ğımdaki enerji dağıtımı küçük, taşınabilir ve el tutucu aygıtları için büyük bir sorun değil. Masaüstü bilgisayarları ve sunucuları için, genişletilmiş bateri hayatı sorun olmayacak. Ancak kilitleme ve geçici tarafından sebep olan hasar iki bölgede de bir sorun oluyor.

2. Minyaturalizasyon treni

Beş yıl önce 1999'ün cep telefonunu ürün ile karşılaştırarak, çip sayısı çok daha küçük, kilo ve volum çok azaldı ve bateri hayatı çok uzatılır. Bu süreç, ana faktör karışık sinyal IC çözümlerinde büyük ilerlemedir. Yine de, çip geometrinin azaltması ile devre tahtasındaki sürücülerin uzağı yaklaşıyor ve fizik yasaları ortaya çıkmaya başladı.

Parallel izler büyük ve daha büyük parazitik kapasitet bağlantısı üretmek için yaklaşıyor ve bu sadece uzağın kare ile tersi ilişkinin sonucu. Eskiden sadece birkaç uzay izleri vardı ve şimdi birçok izler dahil edildi. Sonuç olarak, yakın izler arasında kapasitetli bir bağlantı bile sorun olabilir.

Doğaları tarafından belirlenmiş cep telefonları insanlar tarafından tutulur ve kullanılır. Daha düşük sıcaklık günlerde halıda yürüyorsunuz, sonra cep telefonunu alıyorsunuz ve sonra "pop"-bu cihaza yüksek voltaj, elektrostatik patlama (ESD) pulsu gönderiyor. Doğru ESD koruması olmadan, bir ya da daha fazla IC hasar edilebilir. Ancak ESD hasarına karşı korumak için dış komponentler eklemek miniaturizasyon treninden karşı olacak.

Bir sorun daha enerji yönetimidir. Cep telefonu kullanıcıları, battery'in iki yükü arasındaki aralığın daha uzun süresini istiyor. DC-DC dönüştürücü çok etkili olmalı. Teknolojiyi değiştirmek onun cevabı, ama bu durumda dönüştürücü de kendi potansiyel ses kaynağı oldu. Bu yüzden dönüştürücü dikkatli seçilmeli, yerleştirilmiş ve bağlantılı olmalı. Ayrıca, volum ihmal edilemez bir faktör olduğundan dolayı, en küçük fiziksel boyutlu pasiv komponentleri kullanabilecek tür komponentleri seçilmeli. Eğer lineer bir düzenleyici kullanırsanız, minimal bateri voltajında çıkışı koruyabilecek ultra düşük düşük bir türü seçmelisiniz. Bu, bateri artık yeterince güç sağlamadan önce mümkün olduğunca kadar yüklenmesine izin verir.

3. Kilitli ve geçici

Sınır genişliğinden derin mikronun iç mikronun IC'lerine gönderilen geçimler, üst voltaj koşullarına karşı duygusallığı kötüleştirir, yani bu aygıtları çalışmalarına etkilenmeden korumak için daha zeki olmalısınız.

Koruma girişinde, her koruma komponenti normal operasyon altında yüksek impedans devreleri olarak görünmeli. Örneğin, normal girdi sinyaline küçük bir etki eklemek için en küçük mümkün kapasitetli yükle yüklenmeli. Ancak, üst voltasyon anında aynı cihaz geçici enerjinin en önemli yolu olmalı ve korunan cihazın girişinden uzaklaştırılmalı. Ayrıca, koruma cihazının geri çekilme voltasyonu koruduğu pindeki maksimum mümkün voltasyondan daha yüksek olmalı. Aynı şekilde, baskı voltasyonu korunan cihazın hasarını engellemek için yeterince düşük olmalı. Çünkü geçici koşullarda, girişin voltajı koruma cihazının sıkıştırma voltajı olacak.

Daha önce, geçici voltaj baskısı (TVS) diodi, basılı devre tahtalarında etkili şekilde çarpılmış geçmişler. Tradisyonel (TVS) diodi, 5V kadar düşük çalışan güçlü durum PN birleşme aygıtlarındır. Hızlı cevap zamanı vardır, düşük çarpma voltasyonu, yüksek şu anki çarpma yeteneği, istediği özellikleri. Ancak geleneksel TVS diodunun sorunu, eğer 5V altında olsa kafasını kaldıracak. İşte kullandıkları avalanç teknolojisi bir engel. 5V altındaki Stand-off voltasyonu elde etmek için yüksek derece doping (1018/cm-3 veya yukarıda) gerekli. Bu yüzden daha yüksek kapasitet ve sızdırma akışını sağlayacak. İkisi de yüksek performansını etkileyecek. Tradisyonel TVS diodları voltaj bağlı kapasitesine sahip, voltaj azaldığında artıyor. Örneğin, 5V'de tipik bir ESD koruma diodu 400pF'nin birleşme kapasitesi olacak. Eğer böyle bir kapasitet yükü 100Base-TEthernet göndericisi ya da alıcının giriş düğümüne uygulanırsa ya da üniversal seri otobüs (USB) girişine uygulanırsa neler olacak hayal edebiliriz. Ayrıca, bunlar tam olarak geçici koruma ihtiyacı olan devre türleri.

5V altındaki voltajlar için geleneksel TVS diodları gerçekten bir seçenek değildir. Ama bu seçeneğiniz yok demek. Kaliforniya Üniversitesi, Berkeley ve Semtech (NewburyPark, California) tarafından ortak geliştirilen yeni bir teknoloji, 2.8V çalışma voltasyonuna geçici ve ESD korumasını sağlar. Kendi sisteminizin ihtiyaçlarına uygun bir dizi TVS aygıtlarından birini seçebilirsiniz. Bundan sonra, aygıtı masaya nerede yerleştirileceğini ve devre masasını nasıl bağlayacağını düşünmeliyiz.

Koruma yolundaki parazit etkisi yüksek voltaj aşağısına neden olabilir ve IC'yi hasar edebilir. Bu özellikle ESD gibi hızlı yükselme zamanı geçici için doğru. IEC1000-4-2'nin tanımlamasına göre ESD tarafından üretilen geçici, en yüksek değerine 1 nanosekondan az (n) ulaşacak. 20 nH/inç izlerinin incelemesine dayanarak hesaplanmış, 10 A pulusundan dört inç izleri 50V'nin üstüne çıkacak.

TVS ve koruma devrelerinin arasındaki yolu ve bağlantıdan TVS cihazına giden yolu da dahil yeryüzü dönüş yolu da dahil olmalısınız. Ayrıca, TVS aygıtları yakınlarındaki diğer izlerine birkaç kez geçmesi mümkün olduğunca bağlantıya yakın yerleştirilmeli.

10/100Ethernet tahtası geçici koruma ihtiyacı olan bir altsistemdir. Ethernet değişikliklerinde kullanılan aygıtlar ve rotörler yüksek enerji, yıldırım etkileyici geçmişlere açıldı. Kullanılan derinlikler içerikli IC tasarımda fazla voltaj kilitlenmesi için çok hassas. Tipik bir sistemde, her port tarafından kullanılan çevrili çift arayüzü, transmitör için iki farklı sinyal çift ve alıcı için diğer çift içerir. Transmitör girdi genellikle hasar için en mantıklı. Bir çizgi çift içinde farklı ölümcül bir patlama olacak ve bir transformer aracılığıyla EthernetIC ile birleştirilecek.

Sinyal frekansiyonun çok yüksek (100Mbit/s) ve enerji teslimatı voltajı düşük (genellikle 3.3V), koruma cihazı çok düşük bir kapasitet yükü olmalı ve sonsuz voltajı 5V'den çok daha düşük. Başka bir durum var ki koruma yolunda parazitik etkisi büyük bir voltaj a şağısına sebep olabilir. Etkileşimliliğini büyütmek için devre tahtasının dönüşü korumacısı ve korumalı devre arasındaki yolun azaltılması gerektiğini ve RJ45 bağlantısı ve korumacısı arasındaki yolun uzunluğu da küçük olmalı.

4. Sıcak değiştirme/ekleme ve oyna

Sistem hala etkinleştirildiğinde eklenti tahtaları ya da eklentileri girmek ve kaldırmak için daha fazla sistem tasarlanmış. Bu eklenti tahtaları ya da eklentileri signaller, güç kablosu ve yerel kablosu taşıyan çoraplardan girecek ya da kaldırılacak ve geçiş şansı yüksek olacak. Ayrıca, sistem, aniden yüklenmek veya düşürmek için enerjisini dinamik olarak ayarlayabilir.

Cep telefonları ya da diğer taşınabilir elektronik aygıtlar, yükleme sırasında kendi yükleme sisteminden kazayla bağlanmış veya bağlanmış. Bu da geçmişler oluşturur. Burada, geçici korumaya karşılık, enerji yönetimi de aniden yüklenmek veya azaltmak için uyum sağlaması gerekiyor.

USB arayüzü masaüstü sistemi ve periferal aygıtlar arasındaki hızlı seri arayüzünü geliştirmek için tasarlanmıştır. Ayrıca UB arayüzünde elektrik sağlamak için kullanılabilir bir voltaj sağlama hattı var. Eğer bir yük USB soketine bağlanılmazsa, bu açık bir soket. Oketdeki insan vücudun statik elektrik tarafından oluşturulan ESD puls patlaması devre kuruluna yönlendirilecek ve USB kontrolörüne kolayca zarar verecektir.

Bu yüksek hızlı otobüs'de bilgi hatlarının ve elektrik hatlarının korunulmasını sağlamalısınız. Ayrıca, enerji yönetimi USB belirlenmesine yazılmış olsa da, ESD koruması henüz sağlanmadı.

TVS aygıtları uygun ESD koruması için kullanılabilir. Komponentlerin yerleştirilmesi ve yolun uzunluğu hala önemli tasarım sorunlarıdır. Aynı dizim rehberinin dikkatli danışması gerekiyor. TVS ve korunan çizgi arasındaki yolun kısayılmasını ve TVS aygıtı liman bağlantısına kadar yakın olduğundan emin olun.

USB belirtiminin ihtiyaçlarına göre, güçlü devre enerji dağıtımı değiştirmesi enerji yönetimi için kullanılmalı. PC sunucusunda, kısa devre mevcut koruma ve hata raporlarını kontrolör IC'e verirler. USB periferallerinde liman değiştirmesi, hata raporlaması ve güç damp aşağı kontrolü için kullanılır.

5. Enerji dağıtımı

10 yıl önce bilgisayar ağırlığının değişikliğini 10 yıl önce karşılaştırırsanız, artımın büyüklüğü gerçekten şaşırtıcı. Saat frekansiyetinde, PCS ve sunucuların çok yüksek bir di/dt ortamında büyük bir artış ile birlikte. Örneğin, eğer L 2,5μH ve C 4*1500μF eşittir, yükündeki geçici 200 mV toprak-toprak sırasındadır ve kurtarma zamanı 50 mikro saniyedir. Problemi daha karmaşık yapan şey, CPU uyku moduna girip çabuk uyanır. Yapılan geçmişler mikrosekunda 20-30A arasındadır. Bu enerji yönetimi için baş a ğrısı olur.

Dönüştürücünün perspektivinden di/dt değeri çıkış kapasitesinin seçimini etkiler, daha özellikle eşit seri direksiyonu (ESR) ve kapasitörün eşit seri induksiyonu (ESL). Düşük frekanslarda çalışan dönüştürücüler, elektrolik kapasitelerin kullanımına ihtiyacı olan iki çalışma döngüsü arasında yüklenmek için büyük bir kapasite ihtiyacı var. Bu elektrolik kapasitelerin büyük kapasitesi olsa da büyük ESR ve ESL vardır, ikisi de tasarımcının niyetine karşı. Ayrıca, elektrolik kapasiteler büyüklükte ve yüzeysel dağ teknolojisi ve kompleks paketleme için uygun değildir.

ESR ve ESL değerini azaltmak, üretim sürecini basitleştirmek ve gerçek volume azaltmak için alternatif bir yol var. Metode biraz daha yüksek frekans dönüştürücüsünü kullanmak, elektrolik kapasitörlerin yerine keramik kapasitörleri seçebilirsiniz ve üstündeki avantajları elde edebilirsiniz. Aynı zamanda, çoklu fazla dönüştürücülerin çözümünü kabul edip yük talebini bile paylaşırsınız. Her dönüştürücü aynı toplam mevcut kapasitesini sağlayarken daha az girdi kapasitesi gerekiyor. Başka bir avantajı, girdi kırmızı akışını azaltmak. Tek faz dönüştürme tasarında, giriş dönüştürme akışı çıkış dönüştürme akışının yarısına eşit. Bu yüzden, 20A sistemi için, giriş akışı 10A. Ancak dört faz dönüştürücü çözüm için, örneğin, bu çıkış akışı dört dönüştürücü arasında eşit olarak bölünecek. Şimdi her enerji temsili 5A ve giriş akışı 2A. Bu daha küçük ve daha ucuz girdi kapasitelerini kullanabilir.

DellComputers (RoundRock, Texas) yüksek hızlı bilgisayar ve sunucu serisi için DC-to-DC dönüştürücüsü için diskretli, çok fazla puls genişliği modülasyonu (PWM) kontrolörü geliştirdi. Onun tasarımı, Intel'in gelişmiş PentiumCPU'nun acil güç/enerji yönetimi gerekçelerini yerine getirmek. Dell'in isteğine göre Semtech tarafından devre ile birleştirildi. Çözümlerden sonra çoklu fazla kontrol ve dönüştürücü devre masasındaki işleme problemine özel dikkat vermelisiniz. Yüksek sıcaklığı değiştirme yüksek frekanslarda yeryüzü uçağının voltaj farklısını etkileyecek.

İlk devreğin yüksek akımdaki bölümü yollamalı. Yer uça ğını kullanmalısınız ya da özel bir bölge girmesinden yeryüzünü sınırlamak için ayrılmış veya yarı ayrılmış bir yeryüzü uçağı alanını tanıtmalısınız. Girdi kapasitörü ve yüksek taraflı ve düşük taraflı sürücü çıkış FET'lerin tüm yüksek akışlı, hızlı geçici değiştirmesi içeriyor. Bağlantı genişlik, genişlik ve kısa veya kısa olmalı. Bu şekilde elektromagnetik araştırmaları (EMI) azaltır, şu and a yere injeksiyonu azaltır ve daha güvenilir bir kapı devreyi değiştirme sinyalini elde etmek için kaynak ringini azaltır.

İki FET ve çıkış induktörü arasındaki bağlantı geniş bir yol ve mümkün olduğunca kısa bir süre olmalı. Çıkış kapasitörü yüklemeye mümkün olduğunca yakın yerleştirilmeli. Hızlı geçici yük akışı bu kapasitör tarafından teslim ediliyor, bu yüzden bağlantı kablosu genişlik ve kısa olmalı, induktans ve direksiyonu azaltmak için.

Kontrolör, bu bölgeye ulaşmak için puls akışını ve FET döngüsünü engellemek için sessiz bir toprak uçak alanında yerleştirilir. Yüksek ve düşük toprak kaynakları kontrol amplifikatörü paketine yakın bir yere dönmeli. Küçük sinyal analog toprak ve dijital toprak çıkış kapasitelerinden birine bağlanmalı. Girdi kapasitörü/FET dönüşünün içindeki yere asla dönme. Şimdiki duygu dirençli döngüsü mümkün olduğunca kısa tutmalı.

6. Akıllı çalış.

Yukarıdaki örnekler, karışık sinyal sistemlerin bazı metodlarını tahmin edebilecek ve önlenebilecek bazı metodları gösteriyor olsa da, bunlar hiçbir şekilde yorucu değiller. Her sistemin kendi sorunları var, ve her tasarımcısın üstüne atlamak için özel engelleri var. Daha zor koruma ya da daha sert enerji yönetimiyle uğraşmak, do ğru komponentleri seçmek ilk yapacak şey. Sorun dönüştürücüleri, dönüştürücü kontrolörleri ve TVS koruma aygıtları hakkında geniş bir dizi seçenekler var. Onları devre kuruluna doğru yere koymak enerji yönetiminde ve korumada farklılığı gösterecek. Düşündüğünüz düzenleme ve toprak uçağı yapılandırması üçüncü yönündeki önemli sorunlar. TVS düşük voltaj devreleri için

voltaj 5V'den daha düşük olduğunda, geleneksel PN birleşme TVS aslında hiçbir şey çalışmıyor. Ancak Kaliforniya, Berkeley ve Semtech Üniversitesi tarafından geliştirilmiş geliştirilmiş yükselmiş bir diode (EPD) var.

Avalanche TVS diodların ın geleneksel PN yapısının aksine, bu EPD aygıtı daha kompleks bir n+p+p-n+ dört katı yapısını kullanır. p+ ve P- katlarında ışık doping kullanır, karşılaştırılmış n+p+ bağlantısın ın avalanche durumu girmesini engellemek için.

npn yapısı, yüksek elektron hareketi ve çarpma özellikleri yüzünden pnp yapısının yerine seçildi. P üssü bölgesini dikkatli olarak oluştururken, sonuçların 2.8V ile 3.3V voltaj menzilinde harika sızdırma, çarpma ve kapasite özellikleri var.

7. Büyük apetit ile Pentium

Intel'in Pentium II belirlenmesi, ağırlığın 500n içinde 5A'den 20A'den artılmasını gerekiyor ve dönüştürme oranı mikrosekunda 30A'dir. Semiteck SC1144 çok fazla PWM denetleyici gereken görevden daha yeteneklidir. Dört çevrili DC-DC dönüştürücüsüne kadar, gerekli hızlı ve doğruluğu almak için kontrol sağlıyor. 5 bitlik DAC in şa edilen çıkış voltajı 50mV artırmasından 1,8'den 2,05V'e ve 100mV artırmasından 20'den 3,5V'e programlanmasına izin verir.

Bu çoklu faz teknolojisi 90 derece faz değişimlerinden ayrılmış dört kesin çıkış voltajı üretir. Sonra, dört dijital fazla değiştirilmiş çıkışlar gerekli çıkış voltajı ve şu anda kapasitesini almak için birlikte toplanılır.

Her dönüştürücü 2MHz'de çalışıyor, tasarımcılar elektrolik kapasiteleri yerine keramik kapasiteleri kullanabilir ve küçük boyutta, yüzeysel dağlığın ve ESR ve ESL'in aşağıdaki faydalarını alabilirler.