Les bases du réseau de distribution d'énergie (PDN) pour le concepteur de PCB

Lorsque les concepteurs de PCB entendent le terme « PDN », ou « Réseau de Distribution d'Énergie », cela peut évoquer des notions de diagrammes de Bode, de magie noire et d'autres choses mystérieuses et effrayantes. En réalité, l'objectif du PDN est aussi simple que la plupart des aspects de la conception de PCB qui affectent la performance du PDN. Dans cet article, nous expliquerons les différents aspects de la plupart des conceptions de PDN et comment le logiciel de conception de PCB peut les influencer.

OBJECTIF GLOBAL : FOURNIR UN COURANT ET UNE TENSION SUFFISANTS À TOUTES LES CHARGES

L'objectif fondamental d'un Réseau de Distribution d'Énergie est très simple - fournir suffisamment de courant et de tension à chaque charge pour répondre à leurs besoins opérationnels. Bien que la conception globale d'un PDN, incluant les régulateurs de tension, le découplage sur puce, l'emballage, le montage des composants, etc., soit une science très complexe qui nécessite une formation spécialisée et de l'expérience, optimiser un PCB pour la performance du PDN est moins compliqué puisqu'un concepteur de PCB est limité dans ce qu'il peut faire. Dans cet article, nous nous concentrerons sur ce qu'il faut considérer dans l'agencement du PCB pour garantir que votre conception de PCB fournira un courant et une tension suffisants à toutes vos charges.

EXIGENCE 1 : ASSEZ DE MÉTAL ENTRE LES SOURCES ET LES CHARGES

Veiller à ce qu'il y ait suffisamment de métal (généralement du cuivre) entre chacune des sources et leurs charges correspondantes est l'aspect le plus critique de la conception de réseau de distribution d'énergie (PDN). Heureusement, pour un coût nominal, l'IPC-2152 fournit des directives assez simples sur la manière de procéder. Étant donné le courant maximal attendu et la hausse de température autorisée, la spécification vous indique quelle doit être la largeur minimale pour votre forme de puissance. Malheureusement, un concepteur utilisant uniquement l'IPC-2152 surdimensionnera son logiciel de conception de PCB tout en ignorant les problèmes dans sa conception, ce qui comporte plusieurs limitations, notamment :

- Les recommandations de largeur de l'IPC-2152 sont très conservatrices. Elles représentent des calculs utilisant des données provenant d'un scénario thermique le plus défavorable (carte à 2 couches sans cuivre adjacent) et les utilisateurs font généralement les hypothèses les plus conservatrices (par exemple, hausse de température minimale autorisée). Les conceptions réalisées en utilisant uniquement l'IPC-2152 peuvent avoir des formes de puissance beaucoup plus grandes que nécessaire.

- Les recommandations de l'IPC-2152 concernant les vias sont conservatrices. Cela est particulièrement problématique puisque les vias pour un rail d'alimentation peuvent perforer les formes de puissance au-dessus et en dessous, donc le nombre et la taille des vias devraient être optimisés. Les conceptions réalisées en utilisant uniquement l'IPC-2152 peuvent avoir des vias de puissance plus grands ou en plus grand nombre que nécessaire.

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Versage de Cuivre Conservateur

- L'IPC-2152 s'applique uniquement aux conceptions les plus simples. Une largeur constante de la source à la charge sans aucune perforation due aux vias ou restrictions dues aux composants et autres formes. L'IPC-2152 ne donne pas de directives sur comment aborder les imperfections dans les formes de puissance d'une conception.

- L'IPC-2152 ne donne aucun aperçu sur le placement des rails de puissance associés. Les régulateurs de tension ont souvent des exigences spécifiques pour les différentes formes de puissance associées, de l'entrée à la sortie, pouvant inclure un retour.

Les concepteurs ont besoin de meilleurs outils pour optimiser la taille et la forme de leurs rails de puissance (et de masse), communément appelés « PI-DC » ou « Chute de tension IR ». Altium a intégré cette capacité dans leur environnement de conception avec PDN Analyzer pour rendre aussi facile que possible la satisfaction des exigences du PDN. Plutôt que de se reposer sur l'IPC-2152, un concepteur peut analyser chaque rail de puissance pour voir quelle quantité de métal est appropriée, incluant des aspects que l'IPC-2152 n'aborde pas tels que :

- La distance entre la source et les charges

- La chute de tension autorisée entre la source et les charges

- Le courant autorisé à travers les broches des connecteurs

- Compensation pour les perforations ou restrictions dans le plan de masse dues aux vias, connecteurs, etc.

- Parties des formes de puissance ou de masse qui ne transportent aucun courant, les rendant candidates à des problèmes potentiels tels que les défaillances EMI et le crosstalk excessif

- Efficacité des formes de puissance et de masse

PDN Analyzer permet au concepteur de répondre rapidement et facilement à l'aspect le plus fondamental de la conception PDN - optimiser la conception du métal entre les sources et les charges.

Conception avec péninsules et îles de cuivre en bleu

EXIGENCE 2 : TAILLES, VALEURS, NOMBRES ET PLACEMENT DES CONDENSATEURS

Le prochain aspect de la conception sous le contrôle de l'éditeur PCB est l'optimisation des condensateurs. À première vue, cela peut sembler intimidant puisque cela implique des caractéristiques dépendantes de la fréquence, qui sont beaucoup moins intuitives que l'aspect PI-DC. Heureusement, la complexité est limitée par le nombre de paramètres affectant l'efficacité des condensateurs qu'un schéma de concepteur de PCB peut influencer, incluant :

- Sélection des condensateurs (tailles, valeurs et nombres)

- Placement des condensateurs

- Empilement des couches

Les deux derniers sont des facettes que le concepteur de PCB personnalisé peut influencer le plus et leur optimisation nécessite d'observer des directives spécifiques, incluant (Bogatin, 2011) :

- Répartition des condensateurs autour du boîtier de la charge

- Placement proche des condensateurs

- Placer les plans d'alimentation et de masse du rail d'alimentation aussi près que possible de la surface de la carte

- Utiliser le diélectrique le plus fin possible entre les plans d'alimentation et de masse

- Alterner la polarité des vias des condensateurs lorsqu'ils sont à proximité immédiate

Placement des condensateurs autour du package de charge

Il existe également des outils gratuits disponibles pour aider le concepteur avec l'optimisation des condensateurs, y compris Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) et Altera (comme leur « outil PDN »).

UNE NOTE SUR LA COMPLEXITÉ DE CONCEPTION

Il existe des systèmes de distribution d'énergie plus sophistiqués, tels que les contrôleurs de moteur avec des exigences supplémentaires comme des inducteurs, des boucles de rétroaction, etc., que nous ne couvrirons pas ici. Dans ces cas, des outils d'analyse plus complexes et/ou des directives que la plupart des concepteurs de PCB n'ont pas accès seront nécessaires.

Tracé de densité de courant sur une conception rigide-flex complexe

C'EST TOUT ?

La conception d'une solution PDN à l'échelle du système répondant aux capacités et exigences de chaque source et charge est une science très sophistiquée. Mais PDN Analyzer permet au logiciel de conception de PCB d'optimiser facilement les formes d'alimentation et de masse pour utiliser le moins d'espace et de composants possible tout en augmentant la fiabilité d'une conception.

Densité de Courant sur Conception Rigide-Flex