Thông tin PCB - Phân tích và thiết kế hệ thống cấp nguồn PCB

Ngày nay, việc thiết kế hệ thống điện tử bảng mạch PCB tốc độ cao rất khó thành công nếu không nắm bắt triệt để các đặc tính hệ thống điện của chip, cấu trúc gói và bảng mạch PCB. Trên thực tế, để đáp ứng điện áp nguồn thấp hơn, tốc độ đảo ngược tín hiệu nhanh hơn, tích hợp cao hơn và nhiều yêu cầu ngày càng thách thức, nhiều công ty đi đầu trong thiết kế điện tử đảm bảo cung cấp điện trong quá trình thiết kế sản phẩm. Tính toàn vẹn của tín hiệu, một lượng lớn tiền bạc, nhân lực và vật chất được đầu tư vào việc phân tích hệ thống cung cấp điện. Phân tích và thiết kế hệ thống điện (PDS) ngày càng trở nên quan trọng trong lĩnh vực thiết kế mạch tốc độ cao, đặc biệt là trong các ngành công nghiệp máy tính, bán dẫn, truyền thông, mạng và điện tử tiêu dùng. Với sự phát triển hơn nữa của công nghệ IC quy mô cực lớn, điện áp cung cấp cho các mạch tích hợp sẽ tiếp tục giảm. Khi ngày càng có nhiều nhà sản xuất chuyển từ công nghệ 130nm sang công nghệ 90nm, có thể dự đoán rằng điện áp nguồn sẽ giảm xuống 1,2V hoặc thậm chí thấp hơn, trong khi dòng điện sẽ tăng lên đáng kể. Từ quan điểm giảm áp suất IR DC đến điều khiển dao động điện áp động AC, xu hướng phát triển này đặt ra thách thức lớn cho việc thiết kế hệ thống cung cấp điện do phạm vi tiếng ồn cho phép ngày càng nhỏ.

Tổng quan về thiết kế hệ thống nguồn PCB Board

Thông thường trong phân tích AC, trở kháng đầu vào giữa mặt đất nguồn điện là một quan sát quan trọng để đo các đặc tính của hệ thống nguồn điện. Việc xác định quan sát này phát triển thành tính toán cho sự suy giảm IR trong phân tích DC. Cho dù trong phân tích DC hay AC, các yếu tố ảnh hưởng đến các đặc tính của hệ thống cung cấp điện là: phân lớp của bảng mạch PCB, hình dạng của mặt phẳng lớp của bảng nguồn, bố trí của các thành phần và phân phối các lỗ và chân, v.v. Khái niệm trở kháng đầu vào giữa các địa điểm cung cấp điện có thể được sử dụng để mô phỏng và phân tích các yếu tố trên. Ví dụ, một ứng dụng rất rộng của trở kháng đầu vào từ mặt đất đến nguồn điện là đánh giá vị trí của tụ điện tách rời trên bảng. Bằng cách đặt một số tụ điện tách rời nhất định trên bảng, sự cộng hưởng độc đáo của chính bảng có thể bị ức chế, do đó làm giảm việc tạo ra tiếng ồn và cũng có thể làm giảm bức xạ cạnh của bảng để giảm bớt các vấn đề tương thích điện từ. Để cải thiện độ tin cậy của hệ thống cung cấp điện và giảm chi phí sản xuất của hệ thống, các kỹ sư thiết kế hệ thống phải thường xuyên xem xét cách bố trí hệ thống của các tụ điện tách rời có thể được lựa chọn một cách tiết kiệm và hiệu quả. Hệ thống điện trong hệ thống mạch tốc độ cao thường có thể được chia thành ba hệ thống con vật lý: chip, cấu trúc gói mạch tích hợp và bảng mạch PCB. Lưới điện trên chip bao gồm một số lớp kim loại được đặt luân phiên. Mỗi lớp kim loại bao gồm các dải kim loại theo hướng X hoặc Y để tạo thành một nguồn điện hoặc lưới nối đất, kết nối các dải kim loại của các lớp khác nhau thông qua các lỗ. Đối với một số chip hiệu suất cao, nhiều đơn vị tách rời được tích hợp vào nguồn điện của lõi hoặc IO. Cấu trúc gói mạch tích hợp, giống như một bảng mạch PCB thu nhỏ, có nhiều lớp nguồn điện hoặc mặt đất có hình dạng phức tạp. Trên bề mặt trên của cấu trúc gói, thường có vị trí lắp đặt cho tụ điện tách rời. Bảng mạch PCB thường chứa một nguồn cung cấp điện diện tích lớn liên tục và mặt phẳng nối đất, cũng như một số cụm bình chứa điện tách rời kích thước và mô-đun chỉnh lưu công suất (VRM). Dây nối, khối lồi C4 và bóng hàn kết nối chip, gói và PCB với nhau. Toàn bộ hệ thống cung cấp điện phải đảm bảo rằng mỗi thiết bị IC cung cấp điện áp ổn định trong phạm vi bình thường. Tuy nhiên, trong các hệ thống cung cấp điện này, chuyển đổi hiện tại và hiệu ứng tần số cao ký sinh luôn gây ra tiếng ồn điện áp. Sự thay đổi điện áp của nó có thể được tính toán: trong đó Isla V là dao động điện áp quan sát được trên thiết bị và Isla I là dòng chuyển đổi. Z là trở kháng đầu vào giữa nguồn điện và mặt đất của toàn bộ hệ thống điện được quan sát tại thiết bị. Để giảm biến động điện áp, hãy giữ điện trở thấp giữa nguồn điện và mặt đất. Trong trường hợp DC, điện trở thấp tương ứng với việc giảm điện áp IR của nguồn điện thấp vì Z trở thành điện trở thuần túy. Trong trường hợp AC, điện trở thấp cũng làm giảm tiếng ồn thoáng qua được tạo ra bởi dòng chuyển đổi. Tất nhiên, điều này đòi hỏi Z phải nhỏ hơn trên băng tần rộng hơn. Lưu ý rằng nguồn điện và mặt đất thường được sử dụng làm mặt phẳng phản hồi tín hiệu và tham chiếu, vì vậy có một mối quan hệ chặt chẽ giữa hệ thống nguồn điện và hệ thống phân phối tín hiệu. Tuy nhiên, do hạn chế về không gian, bài viết này sẽ không thảo luận về hiện tượng tiếng ồn và các vấn đề kiểm soát vòng lặp hiện tại trong hệ thống nguồn được giới thiệu bởi Synchronous Switch Noise (IO SSO). Các phần sau đây sẽ bỏ qua hệ thống tín hiệu và chỉ tập trung vào phân tích hệ thống điện.

DC IR giảm

Việc giảm điện áp IR trong chip đã được nghiên cứu rộng rãi do kích thước đặc trưng của lưới điện chip nhỏ (một vài micron hoặc thậm chí nhỏ hơn) và mất điện trở đáng kể trong chip. Việc giảm điện áp IR trên PCB (trong phạm vi vài chục đến vài trăm milivolt) cũng sẽ có tác động lớn hơn đến thiết kế hệ thống tốc độ cao khi: Trong lớp Power Strip, mặt phẳng bảng được chia do cấu trúc cờ vua Thụy Sĩ, cấu trúc cổ xuống và hệ thống dây điện động (Hình 1); Không đủ số pin thiết bị, quá lỗ, quả bóng hàn và C4 lồi dải điện mà dòng điện đi qua lớp dải điện, không đủ độ dày của dải điện, mất cân bằng đường dẫn hiện tại, v.v.; Thiết kế hệ thống đòi hỏi điện áp thấp, dòng điện cao và phạm vi nổi điện áp nghiêm ngặt hơn. Ví dụ, các thiết bị có mật độ cao và số pin cao có xu hướng tạo ra cái gọi là hiệu ứng cấu trúc cờ vua Thụy Sĩ trên cấu trúc gói chip và lớp phân phối năng lượng của bảng mạch PCB do số lượng lớn các đĩa quá lỗ và phản hàn. Cấu trúc của cờ vua Thụy Sĩ tạo ra nhiều vùng kim loại nhỏ với sức đề kháng cao. Tùy thuộc vào hệ thống nguồn, có một đường dẫn dòng điện có điện trở cao như vậy, do đó điện áp của các thành phần hiện đang được gửi đến PCB có thể thấp hơn yêu cầu thiết kế. Do đó, mô phỏng giảm điện áp DC-IR tốt là chìa khóa để ước tính phạm vi giảm điện áp cho phép của hệ thống cung cấp điện. Cung cấp các giải pháp thiết kế hoặc quy tắc cho vị trí trước, sau và định tuyến bằng cách phân tích các khả năng khác nhau. Các kỹ sư bố trí, kỹ sư hệ thống, kỹ sư toàn vẹn tín hiệu và kỹ sư thiết kế nguồn điện cũng có thể kết hợp phân tích giảm áp IR vào trình quản lý hạn chế như là bước cuối cùng để thực hiện kiểm tra quy tắc thiết kế đối với mỗi bảng điện và lưới nối đất trên PCB. Công cụ kiểm tra (DRC) Quy trình thiết kế này thông qua phân tích phần mềm tự động có thể tránh được các vấn đề về bố cục và hệ thống dây điện trên các cấu trúc hệ thống điện phức tạp mà kiểm tra trực quan hoặc thậm chí không thể phát hiện bằng kinh nghiệm. Hình 2 cho thấy phân tích giảm áp IR có thể xác định chính xác sự phân bố điện áp và dòng điện tới hạn trong hệ thống cung cấp điện trên PCB hiệu suất cao.

Phân tích trở kháng mặt đất nguồn AC

Nhiều người biết rằng một cặp tấm kim loại tạo thành một tụ điện phẳng, vì vậy họ nghĩ rằng đặc điểm của lớp dải điện là cung cấp một tụ điện phẳng để đảm bảo sự ổn định của điện áp nguồn. Khi tần số thấp và sóng tín hiệu lớn hơn kích thước của bảng điều khiển trong thời gian dài, các lớp bảng phân phối và sàn thực sự tạo thành tụ điện. Tuy nhiên, khi tần số tăng lên, các đặc tính của lớp mặt phẳng công suất bắt đầu trở nên phức tạp. Chính xác hơn, một cặp đĩa phẳng tạo thành một hệ thống đường truyền đĩa phẳng. Tiếng ồn giữa nguồn điện và mặt đất, hoặc trường điện từ tương ứng, được truyền giữa các tấm theo nguyên tắc đường truyền. Khi tín hiệu tiếng ồn truyền đến các cạnh của bảng điều khiển, một phần năng lượng tần số cao được phát ra, nhưng phần lớn hơn được phản xạ lại. Nhiều phản xạ từ các ranh giới khác nhau của bảng tạo thành hiện tượng cộng hưởng trong bảng PCB. Trong phân tích AC, cộng hưởng điện trở kháng mặt đất của bảng mạch PCB là một hiện tượng độc đáo. Để so sánh, các đặc tính trở kháng của bình chứa điện tinh khiết và điện cảm tinh khiết cũng được lập bản đồ. Các tấm có kích thước từ 30 cm đến 20 cm, khoảng cách giữa các tấm là 100 micron và phương tiện làm đầy là vật liệu FR4. Mô-đun chỉnh lưu công suất trên tấm được thay thế bằng cuộn cảm 3nH. Nó là một tụ điện 20nF thể hiện đặc tính trở kháng điện dung tinh khiết. Như bạn có thể thấy từ hình ảnh, khi không có mô-đun chỉnh lưu điện trên bảng, đặc tính trở kháng của tấm phẳng (đường màu đỏ) giống như điện dung (đường màu xanh) trong dải tần số vài chục megabyte. Trên 100 MHz, đặc tính trở kháng của tấm là cảm ứng điện (dọc theo đường màu xanh lá cây). Sau khi đạt được dải tần số vài trăm megabyte, sự xuất hiện của một số đỉnh cộng hưởng cho thấy các đặc tính cộng hưởng của bảng và bảng không còn là cảm ứng thuần túy. Cho đến nay, rõ ràng là các hệ thống cung cấp điện trở thấp (từ DC đến AC) là chìa khóa để có được dao động điện áp thấp: giảm hiệu ứng cảm ứng, tăng hiệu ứng điện dung và loại bỏ hoặc giảm các đỉnh cộng hưởng này là mục tiêu thiết kế.

Để giảm trở kháng của hệ thống điện, bạn nên làm theo một số hướng dẫn thiết kế:

1) Giảm khoảng cách giữa nguồn điện và tầng sàn;

2) Tăng kích thước của tấm;

3) Cải thiện hằng số điện môi của phương tiện làm đầy;

4) Sử dụng nhiều cặp lớp điện và lớp sàn.

Tuy nhiên, do sản xuất hoặc một số cân nhắc thiết kế khác, các kỹ sư thiết kế cũng cần sử dụng một số phương pháp linh hoạt và hiệu quả hơn để thay đổi trở kháng của hệ thống điện. Để giảm trở kháng và loại bỏ các đỉnh cộng hưởng này, việc đặt các thùng chứa điện tách rời trên PCB đã trở thành một phương pháp phổ biến.

Tính trở kháng đầu vào của hệ thống điện với Sigrity PowerSI:

a. Không có mô-đun chỉnh lưu công suất trên bảng và không có tụ điện tách rời được đặt.

b. Mô-đun chỉnh lưu công suất được mô phỏng là ngắn mạch và không có tụ điện tách rời nào được đặt trên bảng.

c. Mô phỏng mô-đun chỉnh lưu công suất với ngắn mạch và đặt tụ điện tách rời trên bảng.

Việc đặt các thùng chứa điện tách rời trên bảng cho phép các nhà thiết kế linh hoạt điều chỉnh trở kháng của hệ thống cung cấp điện để đạt được tiếng ồn điện thấp hơn so với mặt đất. Tuy nhiên, làm thế nào để chọn vị trí đặt, bao nhiêu để chọn và loại tụ điện tách rời nào để chọn vẫn là một loạt các câu hỏi thiết kế. Do đó, nó thường là cần thiết để tìm kiếm một giải pháp tách biệt cho một thiết kế cụ thể và sử dụng phần mềm thiết kế thích hợp để thực hiện một mô phỏng rộng rãi của hệ thống điện trên bảng mạch PCB.