Tin tức về PCB - Chính xác hệ thống phân phối điện trên PCB là gì

Nói chung, PDS đề cập đến các hệ thống con phân phối sức mạnh của nguồn điện cho các thiết bị và thành phần trong hệ thống. Hệ thống phân phối điện được tìm thấy trong tất cả các hệ thống điện, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng của tòa nhà, máy hiện sóng, bảng mạch PCB, gói, chip và hệ thống phân phối nội bộ của nó.

Hệ thống phân phối trên bảng PCB

Trong một sản phẩm điển hình, hệ thống phân phối điện bao gồm tất cả mọi thứ từ mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM) đến PCB, bao bì và kết nối trên chip. Nó có thể được chia thành bốn phần:

Module điều chỉnh điện áp (VRM) bao gồm tụ điện lọc của nó - nguồn điện;

Điện dung cơ thể trên PCB, điện dung tách rời tần số cao, dây kết nối, thông qua lỗ, mặt phẳng nguồn/mặt đất - hệ thống phân phối điện trên PCB;

Pin gói, dây nối, kết nối và tụ điện nhúng - hệ thống phân phối gói;

Kết nối trên chip và hệ thống phân phối điện dung trên chip.

Bài viết này tập trung vào phần thứ hai, Hệ thống phân phối điện trên PCB. Phần còn lại nằm ngoài phạm vi của bài viết này.

Hệ thống phân phối điện trên PCB đề cập đến các hệ thống trong đó PCB phân phối sức mạnh của nguồn điện cho các chip và thiết bị khác nhau cần cung cấp điện. Bài viết này tập trung vào hệ thống phân phối điện trên PCB, vì vậy chúng tôi đồng ý rằng hệ thống phân phối điện hoặc PDS được đề cập dưới đây đề cập đến hệ thống phân phối điện trên PCB.

Vai trò của hệ thống phân phối là truyền tải điện áp ổn định chính xác, có nghĩa là điện áp ở tất cả các vị trí trên PCB có thể vẫn ổn định chính xác trong mọi điều kiện tải. Nghiên cứu về hoạt động ổn định và chính xác của hệ thống phân phối điện được gọi là vấn đề toàn vẹn điện.

Tính toàn vẹn nguồn điện

Tính toàn vẹn nguồn điện là mức độ mà nguồn điện của hệ thống đáp ứng các yêu cầu về nguồn điện tại cổng thiết bị cần nguồn điện sau khi đi qua hệ thống phân phối điện.

Nói chung, các thành phần cần cung cấp điện trên PCB có một số yêu cầu nhất định đối với nguồn điện làm việc. Lấy một con chip làm ví dụ, nó thường được thể hiện dưới dạng ba tham số:

Điện áp nguồn giới hạn: đề cập đến điện áp nguồn giới hạn mà pin nguồn chip có thể chịu được. Điện áp nguồn của chip không thể vượt quá phạm vi yêu cầu; Nếu không, nó có thể làm hỏng chip. Trong phạm vi này, chức năng của chip không được đảm bảo; Nếu chip tồn tại trong một khoảng thời gian nhất định trong giá trị giới hạn của tham số này, nó sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của chip.

Đề nghị điện áp làm việc: đề cập đến phạm vi điện áp mà pin cung cấp chip phải đáp ứng để làm cho chip hoạt động bình thường và đáng tin cậy. Nó thường được biểu thị bằng "V ± X%", trong đó V là điện áp hoạt động điển hình của chân nguồn chip, X% là phạm vi dao động điện áp cho phép và X phổ biến là 5 hoặc 3.

Tiếng ồn nguồn: Điện áp pin nguồn chip cho phép tiếng ồn gợn mà chip hoạt động bình thường một cách đáng tin cậy, được biểu thị bằng đỉnh của nó.

Các chip thường được cung cấp "điện áp cung cấp giới hạn" và "điện áp hoạt động được đề xuất" yêu cầu, nhưng "tiếng ồn nguồn" có thể không được cung cấp riêng biệt, có thể được bao gồm trong tham số "điện áp hoạt động được đề xuất". "Tiếng ồn điện" là trọng tâm của bài viết này và sẽ được thảo luận riêng sau.

Để minh họa cho ví dụ trên, câu hỏi về tính toàn vẹn của nguồn điện là thảo luận về cách nguồn điện hệ thống đáp ứng các yêu cầu về "điện áp nguồn giới hạn", "điện áp hoạt động được đề xuất" và "tiếng ồn nguồn" cho các chân nguồn khác nhau của chip sau khi đi qua hệ thống phân phối.

Ba tính năng của hệ thống phân phối điện

Phương tiện vật lý của hệ thống phân phối điện rất đa dạng, bao gồm đầu nối, cáp, dấu vết, mặt phẳng nguồn, mặt phẳng GND, quá lỗ, hàn, pad, chân chip, v.v. Chúng khác nhau về các đặc tính vật lý (vật liệu, hình dạng, kích thước, v.v.). Vì mục đích của hệ thống phân phối điện là cung cấp năng lượng từ nguồn điện của hệ thống cho các thiết bị cần cung cấp điện để cung cấp điện áp ổn định và mạch điện hoàn chỉnh, chúng tôi chỉ tập trung vào ba đặc tính điện của hệ thống phân phối: đặc tính điện trở, đặc tính cảm ứng và đặc tính điện dung.

Đặc tính kháng

Điện trở là một đại lượng vật lý đại diện cho sự cản trở của dây dẫn đối với dòng điện DC, thường được biểu thị bằng R. Đặc điểm vật lý chính của nó là khi dòng điện I chảy qua, năng lượng điện được chuyển thành năng lượng nhiệt (I2R) và giảm điện áp DC (IR) được tạo ra ở cả hai đầu.

Điện trở là đặc tính của chính dây dẫn, liên quan đến nhiệt độ, vật liệu, chiều dài và diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn, được xác định bởi công thức 1.1:

- Điện trở dẫn

- Chiều dài dây dẫn

- Diện tích mặt cắt ngang của dây dẫn

Trong đó

Một tính chất vật lý của dây dẫn, liên quan đến nhiệt độ. Điện trở suất của kim loại thường tăng theo nhiệt độ.

Không có nơi nào mà điện trở không có trong hệ thống phân phối điện: điện trở DC và điện trở tiếp xúc được tìm thấy trong cáp và đầu nối, điện trở phân phối được tìm thấy trong dây đồng, lớp nguồn, hình thành và thông qua lỗ, điện trở DC được tìm thấy trong hàn, pad và chip pin, và giữa chúng có điện trở tiếp xúc.

Khi dòng điện chạy qua các điện trở này, chúng tạo ra hai hiệu ứng:

Giảm điện áp DC (IR Drop): Hiệu ứng này có thể dẫn đến giảm dần điện áp nguồn dọc theo mạng phân phối hoặc tăng điện áp tại địa điểm tham chiếu, do đó làm giảm điện áp tại cổng thiết bị cần nguồn điện, dẫn đến các vấn đề về tính toàn vẹn nguồn điện.

Sự phân tán nhiệt: Sự phân tán nhiệt chuyển đổi sức mạnh của nguồn điện thành nhiệt và tăng nhiệt độ hệ thống, do đó ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống.

Tương đương điện trở và tải của hệ thống phân phối điện như một mạch, như thể hiện trong hình 1.1:

Trong đó Vsource là điện áp nguồn, Voutput là điện áp đầu ra, RS là điện trở nguồn, R1 là điện trở phân phối trên đường dẫn nguồn và R2 là điện trở phân phối trên đường trở lại. Giả sử dòng điện vòng lặp là I, điện áp nguồn của tải được hiển thị trong phương trình 1.2:

Giảm điện áp IRS trên RS làm giảm điện áp đầu ra của nguồn cung cấp Voutput, giảm điện áp IR1 trên đường cung cấp điện làm giảm điện áp nguồn Vcc của tải, trong khi giảm IR2 trên đường trở lại làm tăng mức GND của tải. Việc giảm điện áp của các điện trở RS, R1 và R2 nói trên sẽ làm giảm điện áp cung cấp vCC GND của tải, dẫn đến các vấn đề về tính toàn vẹn nguồn điện.

Mất nhiệt trên điện trở của hệ thống phân phối điện có thể làm cho công suất của nguồn điện chuyển thành nhiệt và tiêu tán, làm giảm hiệu quả của hệ thống. Đồng thời, sưởi ấm có thể làm cho nhiệt độ hệ thống tăng lên, làm giảm tuổi thọ của một số thiết bị, chẳng hạn như tụ điện điện phân, do đó ảnh hưởng đến sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống. Mật độ dòng điện quá lớn ở một số khu vực cũng có thể khiến nhiệt độ địa phương tiếp tục tăng hoặc thậm chí cháy.

Như bạn có thể thấy từ phân tích trên, cả hai tác động này đều có hại cho hệ thống và tác động của chúng tỷ lệ thuận với kích thước của giá trị điện trở, vì vậy việc giảm các đặc tính điện trở của hệ thống phân phối điện là một trong những mục tiêu thiết kế của chúng tôi.

Đặc tính tự cảm

Điện cảm là một đại lượng vật lý đặc trưng cho điện trở của dây dẫn đối với dòng điện xoay chiều. Khi dòng điện chạy qua dây dẫn, một từ trường hình thành xung quanh nó. Khi dòng điện thay đổi, từ trường cũng thay đổi và từ trường thay đổi tạo thành điện áp cảm ứng ở cả hai đầu của dây dẫn. Sự phân cực của điện áp có thể làm cho dòng cảm ứng cản trở sự thay đổi của dòng ban đầu. Khi những thay đổi trong từ trường xung quanh dây dẫn là do sự thay đổi dòng điện trong các dây dẫn khác, điện áp cảm ứng cũng được tạo ra trong dây dẫn và sự phân cực của điện áp có thể khiến dòng điện cảm ứng cản trở sự thay đổi dòng điện ban đầu. Hiệu ứng của dây dẫn này đối với sự thay đổi dòng điện được gọi là điện cảm, trước đây được gọi là tự cảm L và sau này được gọi là tương cảm M. Ở đây chúng ta trực tiếp đưa ra hai đặc tính của tương cảm:

Đối xứng: hai dây dẫn A và B, bất kể kích thước, hình dạng và vị trí tương đối, sự tương tác của dây dẫn A đối với dây dẫn B tương đương với sự tương tác của dây dẫn B đối với dây dẫn A, nghĩa là, sự tương tác là như nhau đối với cả hai dây dẫn;

Mutual sense is less than self sense: cảm giác tương hỗ của hai dây dẫn nhỏ hơn cảm giác tương hỗ của một trong hai dây dẫn.