Thông tin PCB - Hệ thống phân phối điện trên bảng PCB là gì

Thông thường, hệ thống phân phối điện (PDS) mà chúng tôi hiển thị trên bảng mạch PCB đề cập đến các hệ thống con phân phối công suất của nguồn điện cho các thiết bị và thiết bị cần cung cấp điện trong hệ thống. Tất cả các hệ thống điện đều có một hệ thống phân phối điện, chẳng hạn như hệ thống chiếu sáng của tòa nhà, máy hiện sóng, bảng mạch PCB, gói và chip, tất cả đều có hệ thống phân phối bên trong.

Hệ thống phân phối điện trên PCB

Trong một sản phẩm điển hình, hệ thống phân phối bao gồm tất cả các kết nối từ mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM) đến bảng mạch PCB, gói và chip. Nó có thể được chia thành bốn phần: mô-đun điều chỉnh điện áp (VRM), bao gồm tụ điện lọc của nó - nguồn điện; tụ điện công suất lớn trên bo mạch PCB, tụ điện tách rời tần số cao, đường nối, mặt phẳng siêu lỗ, nguồn/mặt đất - hệ thống phân phối bảng mạch PCB trên gói; Pin gói, dây nối, kết nối và tụ điện nhúng - hệ thống phân phối điện trên gói; Kết nối và tụ điện trên chip, v.v. - Hệ thống phân phối điện trên chip. Cái gọi là hệ thống phân phối điện trên PCB là hệ thống phân phối điện năng của PCB cho các chip và thiết bị khác nhau cần cung cấp điện. Bài viết này chủ yếu tập trung vào hệ thống phân phối điện trên bo mạch PCB, vì vậy chúng tôi đồng ý rằng hệ thống phân phối điện được đề cập dưới đây hoặc PDS đề cập đến hệ thống phân phối của bo mạch 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 được duy trì ổn định chính xác trong mọi điều kiện tải. Nghiên cứu hoạt động ổn định chính xác của hệ thống phân phối điện là những gì chúng tôi gọi là vấn đề toàn vẹn điện.

Tính toàn vẹn nguồn điện

Cái gọi là tính toàn vẹn nguồn điện, có nghĩa là mức độ phù hợp với yêu cầu nguồn điện làm việc của các cổng thiết bị cần cung cấp điện sau khi đi qua hệ thống phân phối điện. Nói chung, các thiết bị cần cung cấp điện trên bảng mạch PCB có yêu cầu nhất định về nguồn điện làm việc. Lấy chip làm ví dụ, nó thường hiển thị ba tham số: điện áp nguồn giới hạn: đề cập đến điện áp nguồn giới hạn mà chân nguồn của chip có thể chịu được. Điện áp nguồn của chip không thể vượt quá phạm vi yêu cầu của tham số này, nếu không nó có thể gây ra thiệt hại cho chip; Trong phạm vi này, chức năng của chip không được đảm bảo; Nếu chip ở giá trị giới hạn của tham số này trong một khoảng thời gian nhất định, nó sẽ ảnh hưởng đến sự ổn định lâu dài của chip; Đề nghị điện áp làm việc: đề cập đến phạm vi mà điện áp của chân nguồn chip cần được đảm bảo để làm cho chip hoạt động bình thường và đáng tin cậy, thường được biểu thị là "V ± x%", trong đó V là giá trị điển hình của điện áp làm việc của chân nguồn chip, x% là phạm vi dao động điện áp cho phép, x phổ biến là 5 hoặc 3; Tiếng ồn nguồn: đề cập đến tiếng ồn gợn cho phép trên điện áp pin nguồn chip, làm cho chip hoạt động bình thường và đáng tin cậy, thường được đặc trưng bởi đỉnh của nó. Bảng dữ liệu của chip thường cung cấp các yêu cầu về "điện áp cung cấp giới hạn" và "điện áp hoạt động được đề xuất". Đối với "tiếng ồn nguồn", nó có thể không được cung cấp riêng biệt. Trong trường hợp này, nó có thể được bao gồm trong tham số "Điện áp hoạt động được đề xuất". "Tiếng ồn nguồn" là trọng tâm của bài viết này và sẽ được thảo luận riêng sau. Để minh họa cho ví dụ trên, vấn đề toàn vẹn nguồn điện là thảo luận về "điện áp nguồn giới hạn" và "điện áp làm việc được đề xuất" của nguồn điện liên quan đến pin chip tại các chân nguồn khác nhau sau khi nguồn điện hệ thống đi qua hệ thống phân phối điện. Và yêu cầu "tiếng ồn nguồn điện".

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, pad, chân chip, v.v., với các đặc tính vật lý khác nhau (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 đặc trưng cho điện trở dòng điện một chiều của dây dẫn, thường được biểu thị bằng R. Đặc điểm vật lý chính của nó là khi dòng điện I chảy, nó chuyển đổi năng lượng điện thành năng lượng nhiệt (I2R) và tạo ra giảm điện áp một chiều (IR) ở cả hai đầu của nó. Là 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 là điện trở 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 tán được tìm thấy trong dây đồng, lớp nguồn, hình thành và quá lỗ, và điện trở DC được tìm thấy trong hàn, pad và chip pin. Giữa chúng có sự kháng cự tiếp xúc. IR giảm: hiệu ứng này dẫn đến việc giảm dần điện áp cung cấp 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 cung cấp điện, dẫn đến các vấn đề về tính toàn vẹn của nguồn điện; Phân tán nhiệt điện: Hiệu ứng này làm giảm nguồn điện. Công suất được chuyển thành nhiệt trong khi gây ra sự gia tăng nhiệt độ của hệ thống, gây nguy hiểm cho sự ổn định và độ tin cậy của hệ thống. 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 cung cấp điện 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 dẫn đến việc giảm điện áp nguồn VCC-GND của tải và gây ra các vấn đề về tính toàn vẹn nguồn điện. Sự mất nhiệt do điện trở của hệ thống phân phối điện gây ra sẽ làm cho công suất của nguồn điện chuyển thành nhiệt và tiêu tán vô ích, do đó làm giảm hiệu quả của hệ thống. Đồng thời, sưởi ấm có thể làm tăng nhiệt độ của hệ thống, 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 giá trị điện trở của 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 gây ra cảm ứng. Dòng điện cản trở sự thay đổi của dòng điện ban đầu; Khi sự thay đổi dòng điện từ các dây dẫn khác xung quanh dây dẫn dẫn đến sự thay đổi từ trường xung quanh dây dẫn, điện áp cảm ứng cũng được tạo ra trong dây dẫn và sự phân cực của điện áp khiến dòng điện cảm ứng cản trở dòng điện ban đầu. Thay đổi. Tác dụng của dây dẫn này cản trở sự thay đổi dòng điện được gọi là điện cảm, trước đây được gọi là tự cảm L và sau này là tương cảm M. Ở đây chúng ta trực tiếp đưa ra hai tính chất của tương cảm: đối xứng: hai dây dẫn a và b, bất kể kích thước, hình dạng và vị trí tương đối, Sự tương cảm của dây dẫn a đối với dây dẫn b tương đương với sự tương cảm của dây dẫn b đối với dây dẫn a, nghĩa là sự tương cảm 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. Điện áp cảm ứng này, gây ra bởi sự thay đổi dòng điện, rất quan trọng về tính toàn vẹn của tín hiệu, bao gồm cả tính toàn vẹn của công suất và có thể dẫn đến hiệu ứng đường truyền, đột biến, nhiễu xuyên âm, SSN, sụp đổ quỹ đạo, hồi phục mặt đất và hầu hết các EMI. Trong hệ thống phân phối điện, điện cảm không chỗ nào không có. Đầu nối, cáp, dây đồng, lớp điện, hình thành, quá lỗ, pad, chip pin, vv tất cả đều có điện cảm và có sự tương tác giữa các dây dẫn gần nhau. Giả sử rằng tự cảm cục bộ của nhánh a là La và tự cảm cục bộ của nhánh b là Lb, và tương cảm cục bộ giữa hai nhánh này là M và dòng điện trong vòng lặp là I. Vì hai nhánh song song và dòng điện chảy theo hướng ngược lại, từ trường mà chúng tạo ra đi theo hướng ngược lại. Giả sử I tăng, đối với nhánh A, độ phân cực của điện áp cảm ứng do La tạo ra sẽ cản trở I tăng trong nhánh A, nhưng độ phân cực của dòng điện cảm ứng do M tạo ra góp phần làm tăng I trong nhánh A. Nếu nhánh A đại diện cho đường công suất, nhánh B đại diện cho đường trở lại và Va đại diện cho tiếng ồn công suất trên đường công suất (sụp đổ quỹ đạo/hồi phục công suất), Vb đại diện cho sự sụp đổ quỹ đạo/tiếng ồn hồi phục mặt đất trên đường trở lại. Cả hai tiếng ồn có thể gây mất ổn định điện áp nguồn và gây ra các vấn đề về tính toàn vẹn nguồn. Vì vậy, một trong những mục tiêu thiết kế của chúng tôi là giảm cả hai điện áp trên. Có hai cách: giảm tốc độ thay đổi dòng điện vòng lặp càng nhiều càng tốt: điều này có nghĩa là cần phải giảm tốc độ đột biến của dòng điện được rút ra bởi tải và phải hạn chế số lượng cổng nguồn chia sẻ đường dẫn nguồn và đường dẫn trở lại; Cảm giác tương hỗ cục bộ giữa hai nhánh. Giảm cảm giác cục bộ của nhánh có nghĩa là sử dụng đường dẫn năng lượng và đường dẫn trở lại ngắn và rộng nhất có thể. Tăng cảm giác tương hỗ cục bộ có nghĩa là hai nhánh cần được kết nối song song. Và đảo ngược nó càng gần càng tốt. Như bạn có thể thấy từ phân tích trên, điện áp cảm ứng gây ra bởi cảm ứng khi dòng điện thay đổi là nguồn gốc của nhiều vấn đề trong tính toàn vẹn của điện, do đó, giảm điện áp cảm ứng nói trên của hệ thống phân phối điện là một trong những mục tiêu thiết kế của chúng tôi.

Hệ thống phân phối điện là chủ đề chính được thảo luận trong bài viết này và nội dung liên quan đến công việc của nó là vấn đề toàn vẹn điện. Hệ thống phân phối điện có đặc tính kháng, cảm ứng và điện dung tương ứng. Các đặc tính kháng và cảm ứng không có lợi cho tính toàn vẹn của điện, trong khi các đặc tính điện dung có lợi cho tính toàn vẹn của điện. Mục tiêu thiết kế của chúng tôi là giảm hoặc thậm chí loại bỏ ảnh hưởng của các đặc tính kháng và cảm ứng và tăng cường tác động của các đặc tính điện dung trên bảng PCB.