Medición de la impedancia de PDN para el diseño del subsistema de alimentación

En lo que respecta a los complejos diseños de PCB de alta velocidad y multicapa de hoy en día, uno de los aspectos más críticos del proceso de desarrollo del producto se centra en el diseño del subsistema de alimentación. Para esa parte del diseño, el objetivo es hacer que la impedancia de la red de distribución de potencia (PDN) sea lo más baja posible (unos pocos miliOhmios) a través de un amplio rango de frecuencias. Mientras se determina que la impedancia de la PDN del subsistema de alimentación cumple adecuadamente con los parámetros de rendimiento de la PCB final, hay elementos específicos que se abordan durante el proceso de prueba:

• Crear los puntos de acceso de prueba en la PCB utilizados para una medición de impedancia de la PDN.
• Crear la configuración de prueba de impedancia de la PDN versus frecuencia.
• Crear sondas de prueba hechas a medida.

Este artículo describirá estos elementos y cómo aseguran que el proceso de prueba de impedancia del subsistema de alimentación refleje el rendimiento real del producto final.

El Desafío de la Medición de Impedancia de la PDN

El principal dilema que rodea al proceso de medición de la impedancia de la Red de Distribución de Potencia (PDN) (y otras mediciones de integridad de potencia) es que los desarrolladores de productos no siempre saben el ancho de banda de señal que los ICs en un PCB requerirán. Como resultado, esa impedancia tiene que ser baja desde DC hasta decenas de GHz. Esto se logra construyendo un PCB con un apilado que coincida con el apilado para su diseño previsto. También debe incluir los capacitores que piensa usar en su PDN colocados en sus ubicaciones previstas. Luego, necesita medir la impedancia vs. frecuencia para toda la placa.

La Figura 1 ilustra cómo diseñar los puntos de acceso utilizados para medir la impedancia de la fuente de alimentación y los capacitores de desacople. 

Esta prueba verifica que la población de capacitores de desacoplamiento sea correcta para cada plano de potencia, o para cada voltaje de suministro de energía si se utilizan múltiples suministros en la misma placa. Se requieren dos de estos puntos de acceso para cada entrada de suministro de energía o plano de potencia. Estas dos estructuras deben colocarse al menos a una pulgada de distancia y luego etiquetarse con el voltaje al que se conectan. El primer punto permite que una señal sea inyectada en el capacitor del plano, mientras que el segundo permite la medición del voltaje resultante. Estos puntos de acceso están diseñados de tal manera que permitirán el uso de sondas especiales de baja inductancia (más sobre estas sondas a continuación) para realizar las conexiones desde la placa a un analizador de espectro que se utilizará para realizar las pruebas reales. Las etiquetas en Figura 2 muestran puntos de acceso para sondas de prueba en un ejemplo de PCB.

Se utiliza un analizador de espectro con un generador de señales de seguimiento para recopilar la medición de Z vs. F (impedancia de la red de distribución de potencia versus frecuencia), como se muestra en Figura 3.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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La salida del generador de señales de seguimiento se utiliza para inyectar la corriente constante mencionada anteriormente. Los datos mostrados en la pantalla del analizador de espectro están configurados para ser mostrados en voltios, y son proporcionales a la impedancia de la red de distribución de potencia.

Las sondas de prueba mencionadas de ultra-baja inductancia e impedancia ultra-baja se muestran en Figura 4. Están construidas a partir de un corto pedazo de cable coaxial semi-rígido SR 141 con un conector macho SMA en un extremo y un corto pedazo de alambre rígido (agujas de coser funcionan) en el otro.

Una vez que se han obtenido los datos del analizador de espectro, el ingeniero que realiza la prueba utiliza la corriente inyectada para convertir el voltaje medido en impedancia. Basándose en el resultado de esos datos, se puede determinar si se han cumplido los objetivos de impedancia del diseño del subsistema de potencia.

Una Advertencia

Si no hay puntos de prueba en una placa como los mostrados en la Figura 1, será necesario soldar cables coaxiales a las ubicaciones que hacen contacto con los dos planos que se están midiendo. La mejor manera de hacer esto es quitar dos capacitores 0603 y soldar los cables coaxiales, como se muestra en Figura 5. 

Al soldar los cables al PCB, como se muestra en esta figura, es útil tener una manera rápida de desconectar los cables del analizador. La forma más fácil de hacer esto es utilizando conectores BNC como los que se muestran en la Figura 3. La Figura 6 muestra adaptadores SMA conectando los cables de prueba con sondas en ellos. Para medir la impedancia versus frecuencia con precisión, las conexiones deben estar lo suficientemente separadas para que los dos caminos no creen alguna inductancia mutua.

Resumen

Ahora que la señalización diferencial se ha vuelto tan fácil, el aspecto más desafiante de los diseños actuales es acertar con el sistema de entrega de energía. Uno de los tableros para los que recientemente proporcionamos servicios de consultoría tenía más de 200 enlaces diferenciales de 28 Gbps. Nos tomó aproximadamente un día averiguar cómo manejar todos esos enlaces. Ese mismo diseño tenía 29 diferentes rieles de voltaje; averiguar la demanda de corriente en cada riel, delta(i), y el ripple tomó casi un mes.

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Referencias

1. Ritchey, Lee W., y Zasio, John J., “Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design,” Volumen 2.
2. Ritchey, Lee W., Diapositivas del Curso, “2-Day Signal Integrity and High Speed System Design,” clase de entrenamiento.