Die Grundlagen des PDN für den PCB-Designer

Erstellt: Februar 10, 2017
Aktualisiert am: Januar 4, 2021
Die Grundlagen des PDN für den PCB-Designer

Wenn PCB-Designer den Begriff „PDN“ oder „Power Distribution Network“ hören, könnten sie an Bode-Diagramme, schwarze Magie und andere geheimnisvolle, beängstigende Dinge denken. In Wirklichkeit ist das Ziel eines PDN so unkompliziert wie die meisten Aspekte des PCB-Designs, die die PDN-Leistung beeinflussen. In diesem Dokument werden wir die verschiedenen Aspekte der meisten PDN-Designs erklären und wie die PCB-Designsoftware sie beeinflussen kann.

 

HAUPTZIEL: AUSREICHENDER STROM UND SPANNUNG FÜR ALLE LASTEN

Das grundlegende Ziel eines Power Distribution Network ist sehr einfach - es soll jeder Last ausreichend Strom und Spannung zur Verfügung gestellt werden, um ihre Betriebsanforderungen zu erfüllen. Obwohl das Gesamtdesign eines PDN, einschließlich Spannungsregler, On-Die-Entkopplung, Verpackung, Montage von Komponenten usw., eine sehr herausfordernde Wissenschaft ist, die spezialisiertes Training und Erfahrung erfordert, ist die Optimierung eines PCB für PDN-Leistung weniger kompliziert, da ein PCB-Designer in dem, was er tun kann, begrenzt ist. In diesem Dokument werden wir uns darauf konzentrieren, was innerhalb des PCB-Layouts zu berücksichtigen ist, um sicherzustellen, dass Ihr PCB-Design allen Ihren Lasten ausreichend Strom und Spannung zur Verfügung stellen wird.

ANFORDERUNG 1: AUSREICHEND METALL ZWISCHEN QUELLEN UND LASTEN

Sicherzustellen, dass genügend Metall (üblicherweise Kupfer) zwischen jeder der Quellen und ihren entsprechenden Lasten vorhanden ist, stellt den kritischsten Aspekt des PDN-Designs dar. Auf der positiven Seite bietet IPC-2152 für einen nominalen Preis ziemlich einfache Richtlinien, wie dies zu tun ist. Angesichts des maximal erwarteten Stroms und der zulässigen Temperaturerhöhung sagt Ihnen die Spezifikation, welche Mindestbreite Ihre Stromform haben sollte. Leider wird ein Designer, der nur IPC-2152 verwendet, seine PCB-Designsoftware überdimensionieren, während er sich Problemen in seinem Design nicht bewusst ist, was mit mehreren Einschränkungen einhergeht, einschließlich:

- Die Breitenempfehlungen von IPC-2152 sind sehr konservativ. Sie repräsentieren Berechnungen, die Daten aus einem thermischen Worst-Case-Szenario verwenden (2-Lagen-Platine ohne angrenzendes Kupfer), und die Benutzer treffen typischerweise die konservativsten Annahmen (z.B. minimale zulässige Temperaturerhöhung). Designs, die nur mit IPC-2152 erstellt wurden, können viel größere Stromformen haben als notwendig.

- Die Via-Empfehlungen von IPC-2152 sind konservativ. Dies ist besonders problematisch, da Vias für eine Stromschiene die Stromformen darüber und darunter durchstoßen könnten, daher sollten Via-Anzahl und -Größen optimiert werden. Designs, die nur mit IPC-2152 erstellt wurden, können größere oder mehr Stromvias haben als notwendig.

Conservative Copper Pour

Konservatives Kupfer-Pouring

- IPC-2152 gilt nur für das einfachste Design. Eine durchgängige Breite von der Quelle zur Last ohne jegliche Durchbrechungen durch Vias oder Verengungen durch Komponenten und andere Formen. IPC-2152 gibt keine Anleitung, wie man Unvollkommenheiten in den Stromformen eines Designs angehen soll.

- IPC-2152 gibt keinen Einblick in die Platzierung der zugehörigen Stromschienen. Spannungsregler haben oft spezifische Anforderungen an die verschiedenen Stromformen, die mit ihnen verbunden sind, vom Eingang bis zum Ausgang, möglicherweise einschließlich Rückkopplung.

Designer benötigen bessere Werkzeuge, um die Größe und Form ihrer Strom- (und Masse-) Schienen zu optimieren, die üblicherweise als „PI-DC“ oder „IR-Abfall“ bezeichnet werden. Altium hat diese Fähigkeit in ihre Designumgebung mit PDN Analyzer integriert, um es so einfach wie möglich zu machen, die PDN-Anforderungen zu erfüllen. Anstatt sich auf IPC-2152 zu verlassen, kann ein Designer jede Stromschiene analysieren, um zu sehen, wie viel Metall angemessen ist, einschließlich Aspekte, die IPC-2152 nicht anspricht, wie:

- Abstand zwischen der Quelle und den Lasten

- Erlaubter Spannungsabfall zwischen der Quelle und den Lasten

- Erlaubter Strom durch Steckerstifte

- Kompensation für Durchbrechungen oder Verengungen in der Masseebene durch Vias, Stecker usw.

- Teile der Strom- oder Masseflächen, die keinen Strom führen, was sie zu Kandidaten für potenzielle Probleme wie EMI-Ausfälle und übermäßiges Übersprechen macht

- Effizienz von Strom- und Masseflächen

PDN Analyzer ermöglicht es dem Designer, schnell und einfach den grundlegendsten Aspekt des PDN-Designs zu erfüllen - die Optimierung des Designs des Metalls zwischen den Quellen und Lasten.

Design with Copper Peninsula and Islands in Blue

Design mit Kupferhalbinseln und -inseln in Blau

ANFORDERUNG 2: KONDENSATORGRÖßEN, WERTE, ANZAHL UND PLATZIERUNG

Der nächste Aspekt des Designs unter der Kontrolle des PCB-Editors ist die Optimierung von Kondensatoren. Auf den ersten Blick mag dies einschüchternd wirken, da es frequenzabhängige Eigenschaften umfasst, die viel weniger intuitiv sind als der PI-DC-Aspekt. Glücklicherweise wird die Komplexität durch die Anzahl der Parameter begrenzt, die die Effizienz eines Kondensators beeinflussen können und die ein PCB-Designer im Schaltplan beeinflussen kann, einschließlich:

- Auswahl von Kondensatoren (Größen, Werte und Anzahl)

- Platzierung von Kondensatoren

- Lagenaufbau

Die letzten beiden sind Aspekte, die der individuelle PCB-Designer am meisten beeinflussen kann, und ihre Optimierung erfordert die Beachtung spezifischer Richtlinien, einschließlich (Bogatin, 2011):

- Verteilung von Kondensatoren um das Paket der Last

- Nahe Platzierung von Kondensatoren

- Platzierung der Strom- und Masseebenen der Stromschiene so nah wie möglich an der Oberfläche der Platine

- Verwendung des dünnstmöglichen Dielektrikums zwischen den Strom- und Masseebenen

- Wechsel der Polarität von Kondensator-Vias, wenn diese in enger Nähe zueinander sind


Capacitor Placement Around Load Package

Kondensatorplatzierung um das Lastpaket

Es gibt auch kostenlose Werkzeuge, die dem Designer bei der Optimierung von Kondensatoren helfen, einschließlich Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) und Altera (als ihr „PDN-Werkzeug“).

EINE ANMERKUNG ZUR DESIGNKOMPLEXITÄT

Es gibt weitaus hochentwickeltere Stromversorgungssysteme, wie Motorsteuerungen mit zusätzlichen Anforderungen wie Induktoren, Rückkopplungsschleifen usw., die wir hier nicht behandeln werden. In diesen Fällen werden komplexere Analysewerkzeuge und/oder Richtlinien als die meisten PCB-Designer Zugang haben, notwendig sein.

Current Density Plot on Complex Rigid-Flex Design

Stromdichteverteilung auf komplexem Starr-Flex-Design

DAS WAR'S?

Die Gestaltung einer systemweiten PDN-Lösung, die den Fähigkeiten und Anforderungen jeder Quelle und Last entspricht, ist eine sehr anspruchsvolle Wissenschaft. Aber PDN Analyzer ermöglicht es der PCB-Designsoftware, Strom- und Masseformen so zu optimieren, dass sie den geringstmöglichen Platz und die wenigsten Komponenten verwenden, während die Zuverlässigkeit eines Designs erhöht wird.

Current Density Plot on Rigid-Flex Design

Stromdichteverteilung bei starrem-flexiblem Design

 
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