Warum PCB-Stromschienen niederohmig sein müssen

Wie in mehreren meiner Artikel und in den für die Branche verfügbaren Informationen zum PCB-Design erwähnt wurde, ist es entscheidend, die Impedanz richtig einzustellen, um sicherzustellen, dass ein Produkt ordnungsgemäß und wie entworfen funktioniert.

Was nicht so leicht verstanden wird und eine Herausforderung bleiben kann, wenn es während der Produktentwicklungsphase nicht angemessen angegangen wird, ist die Notwendigkeit, dass alle PCB Stromschienen eine niedrige Impedanz Stromversorgung aufweisen, damit übermäßiges Rauschen auf Signalen vermieden werden kann. Dieser Artikel wird sich mit diesem Bedarf befassen, einschließlich dessen, was Elektronik für Stromschienen ausmacht, wie sie funktionieren, wie Angst ein treibender Faktor bei der Fällung schlechter Designentscheidungen sein kann und was eine Stromschiene ist.

Überblick über die Impedanz

Impedanz ist eine bedeutende Eigenschaft von Übertragungsleitungen. Sie ist der Widerstand, den eine Übertragungsleitung dem Fluss von Energie entlang dieser bietet. Sie setzt sich aus drei parasitären Elementen zusammen – Widerstand, Kapazität und Induktivität. Wie gezeigt, ist der parasitäre Widerstand der primäre bestimmende Faktor für die Impedanz der Übertragungsleitung bei Gleichstrom oder niedrigen Frequenzen. Wenn die Frequenz höher als einige Kilohertz steigt, neigt die Reaktanz der parasitären Induktivität dazu, den Energiefluss zu blockieren oder zu behindern. Gleichzeitig neigt die parasitäre Kapazität dazu, die Energie zum „Boden“ oder zur Ebene zu leiten. Es sind diese beiden Elemente, die zusammenarbeiten, sodass das elektromagnetische Feld bei allen Frequenzen eine spezifische Impedanz sieht.

Die Definition von PCB-Stromschienen

Was ist also eine Stromschiene? Eine Stromschiene ist ganz oder teilweise eine Ebenenschicht, die für eine bestimmte Spannung verwendet wird; sie liefert Energie, um die Schaltung zu betreiben. In nahezu allen gedruckten Schaltungen müssen einige Signale, oft die Hälfte von ihnen, über die Stromschichten geführt werden. Daraus ergibt sich zwangsläufig, dass jegliches Rauschen oder jede Welligkeit auf einer gegebenen Stromebene zu jedem Signal gekoppelt wird, das über diese spezielle Ebene geführt wird.

Ripple besteht aus den Spannungsschwankungen, die auf den Vcc- oder Vdd-Schienen von Stromversorgungen auftreten. Diese Schwankungen können durch die Stromversorgungsschiene selbst oder durch die variierenden Lastströme verursacht werden, die dazu führen, dass die Versorgungsspannung abfällt. In Bezug auf Störgeräusche können zehn mögliche Quellen durch das Design erzeugt werden. Dazu gehören:

• Reflexionen
• Ground Bounce
• Ground-Offsets
• Thermische Offsets
• Leiterbahn-IR-Abfall
• Übersprechen
• Ground-IR-Abfall
• Referenzgenauigkeit
• Terminator-Rauschen
• Stromversorgungsschwankungen

Im Rahmen dieser Diskussion, in der nahezu alle Logikbausteine CMOS sind, sind die wahrscheinlichsten Störungsquellen Reflexionen, Übersprechen, Vdd und Ground Bounce sowie Ripple auf Vdd.

Um zu vermeiden, dass Signale übermäßiges Rauschen aufweisen, müssen die PCB-Leiterbahnen so konstruiert werden, dass sie eine sehr niedrige Impedanz aufweisen. Als Ergebnis, wenn man das Delta I im Vergleich zum Rauschen betrachtet, wie es beim Einsatz der EDA-Tools geschieht, die berechnen werden, wie sich die Impedanz letztendlich darstellen wird, ist es möglich, eine Antwort zu erhalten, die besagt, dass die Impedanz relativ hoch sein wird. Das Rauschniveau wird dennoch zufriedenstellend sein. Dies tritt auf, wenn das Delta I eine wirklich kleine Zahl ist. Die Impedanz stellt sich als wirklich hoch heraus, aber das liegt daran, dass es nicht viel Last gibt. Hinweis: Es sollte beachtet werden, dass einige Elektroniken der Stromschienen niedrige Leistung haben, aber das ist kein Diskussionspunkt für diesen Artikel.

Die Herausforderungen

Die Herausforderung beim Entwerfen einer PCB-Stromschiene mit niedriger Impedanz besteht darin, dass die Stromschiene höchstwahrscheinlich ein Teil einer Ebene und nicht die gesamte Ebene selbst ist. Daher ist es notwendig, die Stromebene zu unterteilen, aber beim Tun entstehen Lücken. Infolgedessen scheinen die Signale, die die Lücken überqueren, ihren Rückstrompfad durch die Lücken unterbrochen zu haben. Dieses Problem wird gelöst, indem dieser Teil der Ebene so konstruiert wird, dass er zwischen der Ebene und der darunter liegenden Masseebene eine sehr niedrige Impedanz aufweist, sodass der Rückstrom seinen Weg über die Lücke durch diesen Abschnitt findet, der eine sehr niedrige Impedanz hat.

Der vorhergehende Ansatz eliminiert die Notwendigkeit, das Routing von Leiterbahnen über die Lücken in den Ebenen anzugehen, was viele Designregeln als unmöglich betrachten. Abbildung 1 zeigt die gemessenen Daten von Signalen, die eine auf diese Weise konstruierte Lücke überqueren. Die blaue Spur ist das Signal, das eine Lücke in der Ebene überquert, über die es geroutet wird. Die kleine Aufwärtsreflexion in der Mitte der Spur zeigt, wo sich die Lücke befindet. Wie man sehen kann, wird das Signal über der Lücke nicht gestört. (Die rote Spur ist ein Signal auf einer kürzeren Leiterbahn, die keine Lücke überquert).
 

Grundlegend für all dies ist die unumstößliche Regel, dass man Erdungsflächen nicht durchtrennen sollte, da sie die Strukturen sind, die alles zusammenhalten. Unsere Erfahrung zeigt, dass Produktentwickler, wenn sie ihre Erdungsflächen durchtrennen, entweder versuchen, ein Problem zu lösen, das sie sich eingebildet haben, oder sie versuchen, das Problem der Isolierung eines Schaltkreises von einem anderen zu lösen. Die klassische, fehlerhafte Logik dahinter ist, die analoge und digitale Masse zu trennen. Dies geschieht, wenn Konstruktionsingenieure missverstehen, warum es an einem Bauteil zwei verschiedene Pins gibt, einen analogen und einen digitalen, die den Weg in den Chip bieten. Diese Ingenieure handeln oft aus der Angst heraus, dass es unerwünschte Interferenzen von einer Seite der Platine zur anderen geben wird. Als Ergebnis durchtrennen sie die Platine, um ein Problem zu isolieren, das letztendlich ein eingebildetes Problem ist.

Die zuvor beschriebene Situation kann von einem Produktentwickler herrühren, der während der Simulation festgestellt hat, dass es einen Unterschied oder unerwünschte Interferenzen zwischen einer Seite einer Leiterplatte (PCB) und der anderen gibt und dass dieser signifikant genug ist, um ein Problem zu verursachen. Immer wenn wir mit diesem Typ von Szenario konfrontiert werden, bitten wir darum, die gemessenen Daten von real funktionierender Hardware zu sehen. Nur durch diese Art von Beweisen kann ein Problem eindeutig festgestellt werden.

Zusammenfassung

Um übermäßiges Rauschen von Signalen zu vermeiden, müssen die Stromschienen einer PCB einen niedrigen Impedanzwert aufweisen. Da der Stromschienenkreislauf höchstwahrscheinlich Teil einer Ebene und nicht die gesamte Ebene selbst ist, ist es notwendig, die Stromebene zu unterteilen. Dies wird Lücken erzeugen, und es wird scheinen, dass diese Lücken den Rückflusspfad des Stroms unterbrechen. Dies wird gelöst, indem dieser Teil der Ebene so konstruiert wird, dass er eine niedrige Impedanz aufweist, sodass der Rückstrom seinen Weg über diese Lücken findet.

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