Guía completa sobre la integridad de la potencia en PCB: de la placa al encapsulado

Por muy trivial que parezca, el suministro de la energía en las PCB y en los encapsulados avanzados sigue siendo uno de los mayores desafíos a los que se enfrentan los diseñadores, especialmente en entornos como los centros de datos, la informática periférica (o edge computing), los dispositivos móviles, las telecomunicaciones y las redes. En estos entornos, se mueven enormes cantidades de datos a través de canales de alta velocidad y, por mucho que nos centremos en la integridad de la señal, ninguno de estos sistemas funcionará sin una alimentación estable.

La integridad de la potencia se produce a nivel de los componentes y a nivel de la PCB y, como ya se ha mencionado en este blog, los problemas de integridad de la potencia en la PCB pueden generar problemas en la integridad de la señal (fluctuación, rebote de suministro/tierra, EMI). Si bien la mayoría de las guías de integridad de la potencia más sencillas tienden a centrarse únicamente en la PCB, tanto la PCB como el encapsulado deben ir de la mano a fin de proporcionar una alimentación estable a las interconexiones.

Esta guía tiene como objetivo ofrecer a los diseñadores de placas de circuito impreso una visión conceptual completa de la integridad de la potencia en la PCB. A pesar de que los diseñadores no suelen tener el control sobre el encapsulado, sí pueden tomar algunas medidas para garantizar que sus encapsulados de componentes y su PCB colaboren activamente para proporcionar una potencia estable. Describiré algunos de los enfoques principales para garantizar la integridad de la potencia en todos estos ámbitos, desde el diseño del apilado o stackup hasta la selección óptima de los condensadores.

¿Qué determina la integridad de la potencia en una PCB?

La integridad de la potencia en una PCB influye tanto en CA como en CC. En el caso de la CC, nos interesa saber si los rieles de cobre están bien dimensionados a fin de garantizar una baja caída de la tensión de CC. Cuando una PCB no está diseñada teniendo en cuenta la integridad de la potencia, la tensión observada en un riel de alimentación podría verse como la imagen que se muestra a continuación. Durante la fase de conmutación de las E/S, los impulsos de corriente procedentes de la red de suministro eléctrico (PDN) de una placa de circuito impreso o PCB provocan transitorios en el bus de alimentación. A continuación, se muestra un ejemplo de conmutación repetida de circuitos lógicos.

El caso más común en el que esto ocurre es en componentes de alta velocidad que conmutan muy rápidamente: más conmutación de E/S conduce simultáneamente a mayores demandas de energía y, por lo tanto, puede haber más ruido en los rieles de alimentación. Cuando te aproximas a una de estas respuestas transitorias, el transitorio decae con múltiples constantes de tiempo, principalmente una constante de tiempo larga y de baja frecuencia, que es la que más ruido aporta en un riel de alimentación.

En general, cuando el tiempo de subida de la señal es más rápido para una estructura de PDN determinada, la ondulación que se genera podría tener un sobreimpulso mayor o varias constantes de tiempo asociadas con oscilaciones subamortiguadas de mayor frecuencia. Estas oscilaciones no son deseables por dos razones:

1. Aparecen como ruido en las señales de salida (tanto ruido de sincronización como de nivel de señal) que podrían provocar una interpretación errónea en los niveles lógicos.
2. Crean una EMI irradiada que se puede medir desde la placa, normalmente desde el borde.

Por ambas razones, los diseñadores deben tomar algunas medidas para garantizar que la salida de tensión de CC de los reguladores sea lo más estable posible.

Impedancia, inductancia y capacitancia de la PDN

La impedancia de la PDN en una placa de circuito impreso será el principal determinante de la integridad de la potencia de la PCB. Los reguladores también desempeñan un papel importante a través de sus bucles de retroalimentación (ver a continuación), pero el diseño de la impedancia de la PDN es competencia del diseñador de la PCB. El objetivo es conseguir que la impedancia de la PDN sea lo más baja posible, normalmente por debajo de los 100 mΩ.

La impedancia de la PDN viene determinada por la presencia de varios elementos, que se resumen en la tabla siguiente:

En conjunto, estos elementos determinarán el espectro de impedancia de una PDN. Los diversos elementos que contribuyen a una PDN se muestran en la imagen a continuación, y sus contribuciones quedan delimitadas, a grandes rasgos, por el nivel de frecuencia. El espectro de impedancia que se muestra aquí se construye a partir de un gran número de condensadores y es típico de los procesadores digitales con un recuento de E/S alto que se ejecutan a velocidades de flanco rápidas.

Topología de la PDN

Todas las PDN que suministran energía a procesadores avanzados son redes multipuerto. Requieren múltiples tensiones reguladas, que abarcan desde valores altos hasta niveles lógicos bajos. Es habitual ver tensiones que van desde niveles lógicos altos (5,0 V o 3,3 V) hasta tan bajos como 0,8 V en procesadores con un elevado número de pines.

A continuación, se muestra un ejemplo de árbol de potencia que define la PDN de un procesador avanzado. Este ejemplo pretende mostrar cómo se pueden construir diferentes rieles procedentes de una fuente de alimentación principal o de un regulador que suministre energía a todo el sistema.

El ejemplo anterior no está pensado para generalizarse a todos los componentes digitales, pero debería ilustrar la idea de que muchos de los componentes tendrán múltiples rieles. Un procesador digital alimentado por la topología de alimentación anterior podría ser cualquier tipo de componente, como una FPGA grande, un procesador de red, una MPU, una MCU grande, una GPU u otro procesador especializado. Las E/S del procesador se nutren de los rieles de alimentación, por lo que son estos rieles los que pueden experimentar un ruido transitorio significativo en la PDN.

La topología anterior debería ilustrar la necesidad de tener dos requisitos de diseño; el primero, el aislamiento entre rieles, especialmente entre dos rieles diferentes suministrados por el mismo regulador, para que no transfieran ruido entre sí; y el segundo, cada riel también debe tener su propio valor de baja impedancia para garantizar una emisión baja de ruido.

Materiales y apilado (stackup) de la PCB

En términos de la integridad de la potencia de la PCB, la selección del material del stackup o apilado de PCB desempeña un papel importante a la hora de proporcionar la capacitancia necesaria para garantizar un suministro de energía estable. Además, la disposición de las capas debe proporcionar rieles eléctricos que sean adyacentes a los planos de tierra en capas finas. Esto ayudará a garantizar que el stackup o apilado proporcione la suficiente capacitancia para señales de hasta 1 GHz de ancho de banda.

Cuando no hay suficiente capacitancia disponible en una capa de plano y cuando los condensadores discretos están limitados por los elementos parasitarios, la capacitancia requerida puede ser proporcionada por un material de capacitancia integrado (ECM). Estos materiales son películas muy finas (algunas de menos de 1 mil de grosor) con valores de Dk altos de hasta 30. Estos materiales también pueden tener pérdidas muy altas que absorberán la propagación de EMI en el sustrato de la PCB, reduciendo así la EMI radiada desde el borde de la placa.

En términos de impedancia de PDN, los efectos de estos materiales son cuatro:

• Proporcionan una mayor capacitancia y, por lo tanto, una menor impedancia en frecuencias de nivel medio (de hasta 1 GHz).
• Trasladan las resonancias de PDN asociadas a los pares de planos de potencia/tierra a frecuencias más bajas.
• Amortiguan los picos resonantes de la PDN en los niveles de GHz asociados con los pares de planos de potencia/tierra.
• Desplazan el valle de impedancia de la PDN (de 0,1 a 1 GHz) asociado a la capacitancia del plano a frecuencias más bajas.

Los efectos de estos materiales se pueden ver en el gráfico a continuación. A medida que disminuye el grosor del dieléctrico, podemos ver que los picos resonantes en la PDN se amortiguan y se trasladan a frecuencias más bajas. Se pueden ver resultados similares si aumentamos la pérdida dieléctrica en el material.

• Más información sobre los materiales de capacitancia integrados

Elementos parasitarios del encapsulado

Los encapsulados de componentes tienen sus propios elementos parasitarios relacionados con su estructura, y los encapsulados de componentes tienen su propia impedancia de PDN. La impedancia del encapsulado se combina con la impedancia de la PCB y juntas determinarán la cantidad de ruido detectable en la entrada de alimentación en circuitos lógicos en la pastilla del semiconductor. Los procesadores modernos incorporan condensadores que ayudan a amortiguar las excitaciones transitorias y amplían el ancho de banda de la señal hasta niveles de GHz.

• Más información sobre los elementos parasitarios de los encapsulado y sus efectos en la integridad de la potencia

Más allá de la PCB y el encapsulado

Hemos abordado todo lo relacionado con las PCB y los encapsulados, incluidas algunas de las características y modelos de diseño más complejos de encapsulados avanzados. El diseñador de PCB tiene el control sobre la disposición de la placa, el apilado o stackup y la colocación/enrutamiento y puede tener cierto control sobre el encapsulado. En lo que respecta a las estrategias de regulación de energía, no hemos tocado dos temas importantes: 

• Módulos reguladores de tensión (VRM) para grandes procesadores de alta velocidad.
• Simulaciones en el diseño del diagrama esquemático y en la disposición de la PCB.

Módulos VRM

La estructura de una PDN y el hecho de que muchos componentes avanzados requieran diversos rieles de alimentación hacen necesarios varios módulos reguladores ramificados en paralelo entre sí. La función de un regulador de potencia fijo es compensar la caída de tensión y mantener una tensión de salida objetivo a través de un circuito de retroalimentación (pin FB en la mayoría de los reguladores). El circuito de retroalimentación debe responder lo suficientemente rápido y modular la salida para tratar de estabilizar la tensión de salida.

Los factores que contribuyen a la respuesta del bucle de retroalimentación del regulador aparecen a los niveles de la disposición y de componentes. He comentado algunos de estos aspectos con Steve Sandler en un episodio reciente del podcast OnTrack.

Trataremos el tema de los VRM y sus prácticas de disposición en otro apartado de este sitio web. Además del diseño y la disposición de los VRM, los diseñadores deben centrarse en preparar el stackup y la selección de condensadores y materiales correctos para garantizar una impedancia de la PDN que sea lo suficientemente baja dentro de su ancho de banda operativo. Como hemos comentado anteriormente, el diseño y la colocación también afectarán a la integridad de potencia debido a la aparición de elementos parásitos.

Simulación

Las simulaciones se pueden llevar a cabo a CA o CC en los diagramas esquemáticos o en una disposición terminada de PCB terminada. Para las PCB de alta velocidad que funcionan con anchos de banda de señal a niveles de frecuencia hasta los GHz, las simulaciones de integridad de la alimentación a CA son muy importantes, ya que pueden revelar la ondulación del bus de alimentación cuando las E/S empiezan a conmutar.

Las simulaciones a CA en el diagrama esquemático son simulaciones basadas en SPICE que examinan la estabilidad de la red de condensadores utilizada para el desacoplamiento y la derivación. Estos modelos permiten estimar la respuesta del bus de alimentación, así como evaluar si la capacitancia incluida en la PDN será suficiente. También está la cuestión de evaluar el aislamiento entre diferentes rieles de energía alimentados por el mismo regulador o VRM, lo que puede determinarse evaluando la impedancia de transferencia.

Para obtener más información sobre las simulaciones de PDN en diagramas esquemáticos, incluido el uso de ferritas, dale un vistazo a la siguiente lista de reproducción.

Las simulaciones a CA también se pueden hacer en el diseño de la PCB, pero esto requiere una calculadora de campos electromagnéticos para predecir el comportamiento de la señal en el espacio y el tiempo debido a la estructura de la PDN en una PCB. Estas simulaciones son muy complejas desde el punto de vista informático y requieren de software especializado.

Aunque las simulaciones a CA son importantes en los productos avanzados, las simulaciones a CC siguen siendo relevantes en las PCB de alta velocidad. La gran cantidad de E/S que se conectan en el procesador principal de estas PCB pueden generar una demanda de corriente de varios amperios. Cuando se trabaja con una placa de alta velocidad muy grande que da servicio a varios periféricos, como una placa de bus común, es necesario mantener alrededor de unos 100 A de corriente en todo el sistema, incluidos los rieles de alimentación que suministran las E/S a los procesadores rápidos. Así pues, es importante identificar y eliminar las corrientes extremas en los rieles de alimentación.

• Más información sobre las simulaciones de PDN a CC con el Power Analyzer de Keysight

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