Los fundamentos de la PDN para el diseñador de PCB

Cuando los diseñadores de PCB escuchan el término "PDN", o "Red de Distribución de Energía", podrían evocar nociones de diagramas de bode, magia negra y otras cosas misteriosas y aterradoras. En realidad, el objetivo de la PDN es tan directo como la mayoría de los aspectos del diseño de PCB que afectan el rendimiento de la PDN. En este documento explicaremos los diversos aspectos de la mayoría de los diseños de PDN y cómo el software de diseño de PCB puede influir en ellos.

OBJETIVO GENERAL: SUFICIENTE CORRIENTE Y VOLTAJE PARA TODAS LAS CARGAS

El objetivo fundamental de una Red de Distribución de Energía es muy directo - proporcionar suficiente corriente y voltaje a cada carga para satisfacer sus requisitos de operación. Aunque el diseño general de una PDN, incluyendo reguladores de voltaje, desacoplamiento en el chip, empaquetado, montaje de componentes, etc., es una ciencia muy desafiante que requiere formación especializada y experiencia, optimizar un PCB para el rendimiento de la PDN es menos complicado ya que un diseñador de PCB está limitado en lo que puede hacer. En este documento, nos centraremos en qué considerar dentro del diseño del PCB para asegurar que su diseño de PCB proporcionará suficiente corriente y voltaje a todas sus cargas.

REQUISITO 1: SUFICIENTE METAL ENTRE FUENTES Y CARGAS

Asegurar que haya suficiente metal (usualmente cobre) entre cada una de las fuentes y sus cargas correspondientes es el aspecto más crítico del diseño de la Red de Distribución de Potencia (PDN). Por el lado positivo, por un costo nominal, IPC-2152 proporciona pautas bastante claras sobre cómo hacer esto. Dado el máximo de corriente esperado y el aumento de temperatura permitido, la especificación te indica cuál debería ser el ancho mínimo para tu forma de potencia. Desafortunadamente, un diseñador que solo utiliza IPC-2152 estará sobredimensionando su software de diseño de PCB mientras desconoce problemas en su diseño, lo que conlleva varias limitaciones, incluyendo:

- Las recomendaciones de ancho de IPC-2152 son muy conservadoras. Representan cálculos usando datos de un escenario térmico de peor caso (placa de 2 capas sin cobre adyacente) y los usuarios típicamente hacen las suposiciones más conservadoras (por ejemplo, el aumento de temperatura mínimo permitido). Los diseños hechos usando solo IPC-2152 pueden tener formas de potencia mucho más grandes de lo necesario.

- Las recomendaciones de vías de IPC-2152 son conservadoras. Esto es especialmente problemático ya que las vías para un riel de potencia podrían perforar las formas de potencia arriba y abajo, por lo tanto, el número y tamaño de las vías deberían ser optimizados. Los diseños hechos usando solo IPC-2152 pueden tener vías de potencia más grandes o más de lo necesario.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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Vertido de Cobre Conservador

- IPC-2152 solo se aplica al diseño más sencillo. Un ancho consistente de la fuente a la carga sin ninguna perforación de vías o constricciones de componentes y otras formas. IPC-2152 no ofrece orientación sobre cómo abordar imperfecciones en las formas de alimentación de un diseño.

- IPC-2152 no proporciona información sobre la colocación de las barras de alimentación asociadas. Los reguladores de voltaje a menudo tienen requisitos específicos para las diversas formas de alimentación asociadas con ellos, desde la entrada hasta la salida, posiblemente incluyendo retroalimentación.

Los diseñadores necesitan mejores herramientas para optimizar el tamaño y la forma de sus barras de alimentación (y tierra), comúnmente referidas como "PI-DC" o "Caída de IR". Altium ha integrado esta capacidad en su entorno de diseño con PDN Analyzer para hacerlo lo más fácil posible cumplir con los requisitos de PDN. En lugar de depender de IPC-2152, un diseñador puede analizar cada barra de alimentación para ver cuánto metal es apropiado, incluyendo aspectos que IPC-2152 no aborda como:

- Distancia entre la fuente y las cargas

- Caída de voltaje permitida entre la fuente y las cargas

- Corriente permitida a través de los pines del conector

- Compensación por perforaciones o constricciones en el plano de tierra por vías, conectores, etc.

- Partes de las formas de alimentación o tierra que no conducen corriente, lo que las convierte en candidatas para problemas potenciales como fallos por EMI y diafonía excesiva

- Eficiencia de las formas de alimentación y tierra

PDN Analyzer permite al diseñador cumplir de manera rápida y fácil con el aspecto más fundamental del diseño de PDN - optimizar el diseño del metal entre las fuentes y las cargas.

Diseño con Península e Islas de Cobre en Azul

REQUISITO 2: TAMAÑOS, VALORES, NÚMEROS Y COLOCACIÓN DE CAPACITORES

El siguiente aspecto del diseño bajo el control del editor de PCB es la optimización de capacitores. A primera vista, esto podría ser intimidante ya que involucra características dependientes de la frecuencia, las cuales son mucho menos intuitivas que el aspecto PI-DC. Afortunadamente, la complejidad está limitada por el número de parámetros que afectan la eficiencia del capacitor que un esquemático de diseñador de PCB puede influir, incluyendo:

- Selección de capacitores (tamaños, valores y números)

- Colocación de capacitores

- Apilamiento de capas

Los últimos dos son facetas que el diseñador de PCB personalizado puede influir más y su optimización requiere observar pautas específicas, incluyendo (Bogatin, 2011):

- Distribuir los capacitores alrededor del paquete de la carga

- Colocación cercana de capacitores

- Colocar los planos de alimentación y tierra del riel de potencia lo más cerca posible de la superficie de la placa

- Usar el dieléctrico más delgado posible entre los planos de alimentación y tierra

- Alternar la polaridad de las vías de los capacitores cuando están en proximidad cercana

Colocación de Capacitores Alrededor del Paquete de Carga

También hay herramientas gratuitas disponibles para ayudar al diseñador con la optimización de capacitores, incluyendo a Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) y Altera (como su “herramienta PDN”).

UNA NOTA SOBRE LA COMPLEJIDAD DEL DISEÑO

Existen sistemas de entrega de energía mucho más sofisticados, como los controladores de motores con requisitos adicionales como inductores, bucles de retroalimentación, etc., que no cubriremos aquí. En estos casos, serán necesarias herramientas y/o directrices de análisis más complejas de las que la mayoría de los diseñadores de PCB tienen acceso.

Gráfico de Densidad de Corriente en Diseño Complejo Rígido-Flexible

¿ESO ES TODO?

El diseño de una solución PDN a nivel de sistema que cumpla con las capacidades y requisitos de cada fuente y carga es una ciencia muy sofisticada. Pero PDN Analyzer permite que el software de diseño de PCB optimice fácilmente las formas de alimentación y tierra para usar la menor cantidad de espacio y componentes posibles, mientras aumenta la fiabilidad de un diseño.

Densidad de Corriente en Diseño Rígido-Flexible