Caminos secundarios o autopistas: gestión de la distribución de energía de PCB con un analizador PDN

¿Quién no ha sido sorprendido soñando despierto por la ventana, mirando las líneas de los coches en la autopista en una parada, preguntándose acerca de formas más fáciles o más eficaces de llegar a su trabajo a tiempo? E incluso entonces, a veces las rutas alternativas no son siempre las más rápidas: podría haber construcción de carreteras, o un evento en curso que haga que tenga que desviarse aún más. En ese momento, la mayoría tiende a tirar por la ventana todas las esperanzas de llegar a tiempo al trabajo (o, si vives en Londres, empezar a conducir por la orilla).

Ahora, imagínese cada uno de los caminos y cada intersección o hipo en su flujo de tráfico como parte de la red de energía de su PCB. Su trabajo se convierte en navegar a través de la PCB y analizar cómo optimizar su eficiencia de alta potencia con una pérdida de potencia mínima. Como su objetivo es diseñar PCBs cada vez más pequeñas, las vías para su red de distribución de energía (PDN) se hacen más estrechas. Esto abre toda una serie de problemas de diseño: ¿cómo puedo conducir este semirremolque a través de un callejón de un solo carril entre bloques de apartamentos? Si los costados de mi auto raspan los muros protectores y chispean, ¿hay algo que pueda incendiarse?

Los diseñadores de PCBs tienen que lidiar con concentraciones más altas de calor y ruido que representan una amenaza para los componentes sensibles, afectando las estructuras adyacentes y la funcionalidad de todo el sistema. Al igual que cuando de niño veía a sus padres estacionarse en paralelo en un lugar demasiado estrecho, usted también puede distribuir energía tolerable con pérdidas mínimas de distribución, siempre y cuando tenga en mente técnicas de diseño sólidas.

Fusión de tráfico y gestión del calor en la distribución de electricidad

Especialmente en California, una de las mayores causas de retrasos en una carretera son las personas que no siguen los protocolos de fusión y otras reglas. Bueno, en el diseño de PCB, todas las reglas de la carretera son los circuitos integrados, los microprocesadores, los módulos de memoria, los DSPs (procesadores de señales digitales) y las FPGAs (matrices de puertas programables en campo). Si se desvía más allá de la tolerancia de los voltajes de suministro, entonces no puede esperar que se cumplan las especificaciones de su tarjeta. Algunos aspectos básicos son un buen punto de partida:

1. Mantenga las pistas cortas y anchas para distribuir la densidad del calor.
2. Minimice la impedancia al mantener los bucles de derivación tan pequeños como sea posible en área y longitud con pistas de una relación longitud/ancho de 3:1.
3. La optimización de la separación entre los componentes proporcionará las menores densidades de corriente y de calentamiento.
4. Evite ángulos agudos para mantener el calor esencialmente "uniforme" en toda la superficie.

Las pérdidas mínimas y la eficiencia energética óptima van de la mano con la gestión del calor. Cada pista de cobre que transporta corrientes elevadas y cada componente eléctrico que conduce una corriente son fuentes de calor debido a la resistencia eléctrica. Incluso los componentes pasivos, como resistencias, condensadores e inductores, crean calentamiento resistivo y reactivo, respectivamente. Cuando se añade a esto una menor cantidad de espacio a bordo, estamos buscando más puntos calientes y perforaciones de cobre, lo que conduce a mayores aumentos en las densidades de corriente y calefacción. Los diseños para reducir el I2R siempre han sido importantes, pero para los dispositivos de bajo voltaje, son fundamentales.

^{La distribución del calor es una de las consideraciones de diseño más críticas para el diseño de su PCB.}

Los baches y los ciervos no son la única interferencia

Con el objetivo de distribuir la potencia con una eficiencia óptima, otro tipo de "pérdida" que debe controlarse es la pérdida de señal en forma de ruido e interferencia cruzada, lo que se conoce como interferencia electromagnética o EMI. El desafío es que prácticamente todos los circuitos integrados son generadores de ruido y cada pista de corriente alta emite radiación electromagnética que puede captarse como ruido, actuando esencialmente como antenas. Además, si las señales están siendo conectadas y desconectadas a 300 MHz o más rápido, activan pulsos magnéticos que son captados por los circuitos vecinos, creando una interferencia. Estos son algunos consejos para minimizar la EMI y la interferencia:

• Mantenga el RF libre de pistas de distribución de energía con perlas de ferrita y condensadores de derivación.
• Para los pines de E/S en el modo de entrada, conecte las entradas no utilizadas al riel de impedancia más bajo; si es posible, conecte a tierra por cortocircuito directo.
• Mantenga las pistas no ruidosas alejadas de componentes ruidosos como conexiones, osciladores y relés.
• Agrupe las pistas ruidosas juntas, rodeadas de pistas de tierra. Y no los pase por el borde exterior de la tarjeta.
• Para reducir la propagación del ruido, controle la forma y la impedancia del trayecto de retorno. Tenga en cuenta que el voltaje de ruido y la corriente asociada seguirán el camino de la impedancia más baja de vuelta al punto generado.

• No utilice conductores adyacentes en paralelo.
• Mantenga el espacio entre los pares de señales hasta 5 veces el ancho de la pista.

La gestión de la distribución de energía y la pérdida de señal pueden parecer bastante importante. Especialmente si está diseñando con requisitos de fabricación muy específicos, puede ser fácil utilizar su experiencia y conocimientos para sustituir una comprobación de reglas o ignorar una fuente de interferencia potencial. Sin embargo, con un software de diseño de PCB resistente, gran parte del trabajo de doble control y rastreo se coloca dentro de la automatización de su software de diseño.

^{No siempre hay señales de advertencia que le digan cuando su PCB tiene interferencia en la señal.}

No es un atajo, sino un analizador de PDN que lo llevará a donde usted necesita ir

Los dispositivos electrónicos de bajo voltaje y alta corriente desafían a cualquiera que diseñe PCBs para reducir las pérdidas de distribución a medida que los espacios de la tarjeta disminuyen y las densidades de los componentes aumentan. Los PDNs y los avances en los ICs han ido a la par con las crecientes demandas; sin embargo, a pesar de toda la teoría y la calidad superior de los componentes en la PCB, el resultado final sigue siendo: ¿puede diseñar una PCB estadísticamente resistente con velocidad y rentabilidad? La respuesta es un sí rotundo: con la potencia de los analizadores de red de suministro de energía.

Ser capaz de modelar PDNs, propagación de ruido, pre y posdiseño, y analizar campos EMI le devuelve un poco de espacio. Para poder evaluar los patrones térmicos a medida que se observan las densidades de corriente, donde se cuelga en el plano de 1 V y donde aumentan las densidades de corriente, el producto final se distribuye de forma óptima en la PCB y es fácil de fabricar. Encuentre y resuelva sus problemas de PDN con el software inteligente de diseño de PCB de Altium Designer y su análisis de potencia visual directamente en su entorno de diseño sin interrupciones del trabajo, herramientas especiales costosas o conocimientos especializados.

Concédase la capacidad de analizar, modificar y volver a analizar su trabajo. Si tiene más preguntas sobre cómo optimizar su PDN y minimizar las pérdidas de distribución, comuníquese con un experto de Altium hoy mismo.