Messung der PDN-Impedanz für das Design von Stromversorgungssubsystemen

Wenn es um die komplexen Mehrschichtigen, Hochgeschwindigkeits-PCB-Designs von heute geht, konzentriert sich ein kritischer Aspekt des Produktentwicklungsprozesses auf das Design des Stromversorgungssubsystems. Bei diesem Teil des Designs besteht das Ziel darin, die PDN-Impedanz so niedrig wie möglich zu halten (einige Milliohm) über einen breiten Frequenzbereich. Während festgestellt wird, dass die PDN-Impedanz des Stromversorgungssubsystems die Leistungsparameter der endgültigen PCB angemessen erfüllt, werden während des Testprozesses spezifische Elemente angesprochen:

• Erstellen der Zugangstestpunkte auf der PCB für eine PDN-Impedanzmessung.
• Erstellen der PDN-Impedanz gegen Frequenz Testaufbau.
• Erstellen von maßgeschneiderten Testsonden.

Dieser Artikel wird diese Elemente beschreiben und wie sie sicherstellen, dass der Impedanztestprozess des Stromversorgungssubsystems die tatsächliche Leistung des Endprodukts widerspiegelt.

Die Herausforderung bei der Messung der PDN-Impedanz

Das Hauptdilemma, das den Messprozess der PDN-Impedanz (und andere Leistungsintegritätsmessungen) umgibt, besteht darin, dass Produktentwickler nicht immer die Signalbandbreite kennen, die ICs auf einer PCB benötigen werden. Infolgedessen muss diese Impedanz von Gleichstrom (DC) bis hin zu Zehner-GHz niedrig gehalten werden. Dies wird erreicht, indem eine PCB mit einem Stackup gebaut wird, der dem Stackup für Ihr beabsichtigtes Design entspricht. Es sollte auch die Kondensatoren enthalten, die Sie in Ihrem PDN verwenden möchten, platziert an ihren vorgesehenen Standorten. Anschließend müssen Sie die Impedanz vs. Frequenz für die gesamte Platine messen.

Abbildung 1 veranschaulicht, wie man die Zugangspunkte entwirft, die verwendet werden, um die Impedanz der Stromversorgung und der Bypass-Kondensatoren zu messen. 

Dieser Test überprüft, ob die Population der Entkopplungskondensatoren für jede Stromebene korrekt ist, oder für jede Spannungsversorgung, falls mehrere Versorgungen auf derselben Platine verwendet werden. Für jeden Eingang der Stromversorgung oder jede Stromebene sind zwei dieser Zugangspunkte erforderlich. Diese beiden Strukturen sollten mindestens einen Zoll voneinander entfernt platziert und dann mit der Spannung beschriftet werden, zu der sie verbunden sind. Der erste Punkt ermöglicht es, ein Signal in den Plattenkondensator einzuspeisen, während der zweite die Messung der resultierenden Spannung ermöglicht. Diese Zugangspunkte sind so konzipiert, dass sie spezielle Sonden mit geringer Induktivität (mehr zu diesen Sonden unten) für die Verbindungen von der Platine zu einem Spektrumanalysator zulassen, der verwendet wird, um die eigentlichen Tests durchzuführen. Die Aufkleber in Abbildung 2 zeigen Zugangspunkte für Testsonden auf einer Beispiel-PCB.

Ein Spektrumanalysator mit einem Tracking-Signalgenerator wird verwendet, um Z vs. F (PDN-Impedanz versus Frequenz) Messung zu sammeln, wie in Abbildung 3 gezeigt.

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Der Ausgang des Tracking-Signalgenerators wird verwendet, um den oben genannten konstanten Strom einzuspeisen. Die auf dem Bildschirm des Spektrumanalysators angezeigten Daten sind in Volt eingestellt und proportional zur PDN-Impedanz.

Die zuvor genannten ultra-niedrig induktiven, ultra-niedrig impedanten Testsonden sind in Abbildung 4 dargestellt. Sie bestehen aus einem kurzen Stück SR 141 halbstarren Koaxialkabel mit einem männlichen SMA-Stecker an einem Ende und einem kurzen Stück steifen Draht (Nähnadeln funktionieren) am anderen Ende. 

Nachdem die Daten vom Spektrumanalysator erhalten wurden, verwendet der Ingenieur, der den Test durchführt, den eingespeisten Strom, um die gemessene Spannung in Impedanz umzurechnen. Basierend auf dem Ergebnis dieser Daten kann man bestimmen, ob die Impedanzziele des Designs des Stromversorgungssubsystems erreicht wurden.

Eine Warnung

Wenn es auf einer Platine keine Testpunkte gibt, wie die in Abbildung 1 gezeigten, wird es notwendig sein, Koaxialkabel an den Stellen anzulöten, die Kontakt mit den beiden gemessenen Ebenen machen. Die beste Methode hierfür ist, zwei 0603 Kondensatoren zu entfernen und die Koaxialkabel anzulöten, wie in Abbildung 5 

gezeigt.Beim Löten von Anschlüssen an die PCB, wie in dieser Abbildung dargestellt, ist es praktisch, eine schnelle Möglichkeit zu haben, die Kabel vom Analysator zu trennen. Die einfachste Methode hierfür ist die Verwendung von BNC-Steckverbindern, wie sie in Abbildung 3 gezeigt werden. Abbildung 6 zeigt SMA-Adapter, die mit den Testkabeln verbunden sind, an denen Sonden angebracht sind. Um die Impedanz im Verhältnis zur Frequenz genau zu messen, müssen die Verbindungen weit genug auseinander liegen, damit die beiden Pfade keine gegenseitige Induktivität erzeugen.

Zusammenfassung

Jetzt, da differenzielle Signalübertragung so einfach geworden ist, stellt die richtige Auslegung des Stromversorgungssystems die größte Herausforderung bei aktuellen Entwürfen dar. Eines der Boards, für die wir kürzlich Beratungsdienste geleistet haben, verfügte über mehr als 200, 28 Gbps differenzielle Verbindungen. Es dauerte etwa einen Tag, bis wir herausgefunden hatten, wie wir mit all diesen Verbindungen umgehen sollten. Dasselbe Design hatte 29 verschiedene Spannungsschienen; die Ermittlung der Stromnachfrage in jeder Schiene, Delta(i), und Ripple dauerte fast einen Monat.

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Referenzen

1. Ritchey, Lee W., und Zasio, John J., „Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design“, Band 2.
2. Ritchey, Lee W., Kursfolien, „2-Day Signal Integrity and High Speed System Design“, Schulungsklasse.