Pourquoi les rails d'alimentation des PCB doivent avoir une faible impédance

Comme cela a été noté dans plusieurs de mes articles et dans les informations sur la conception de PCB disponibles pour l'industrie, obtenir une impédance correcte est crucial pour garantir qu'un produit fonctionnera correctement et comme prévu.

Ce qui n'est pas si facilement compris et peut rester un défi si ce n'est pas abordé de manière appropriée durant la phase de développement du produit, est la nécessité d'avoir toutes les rails d'alimentation du PCB de faible impédance pour éviter un excès de ripple sur les signaux. Cet article abordera ce besoin, y compris ce que constituent les électroniques des rails d'alimentation, comment ils fonctionnent, comment la peur peut être un facteur motivant dans la prise de mauvaises décisions de conception, et ce qu'est un rail d'alimentation.

Aperçu de l'Impédance

L'impédance est une propriété significative des lignes de transmission. Il s'agit de la résistance qu'une ligne de transmission présente à l'écoulement de l'énergie le long de celle-ci. Elle est composée de trois éléments parasites : la résistance, la capacité et l'inductance. Comme démontré, la résistance parasite est le facteur principal déterminant l'impédance de la ligne de transmission en courant continu ou à basse fréquence. Lorsque la fréquence dépasse quelques kilohertz, la réactance de l'inductance parasite tend à bloquer ou à entraver l'écoulement de l'énergie. En même temps, la capacité parasite tend à dévier l'énergie vers le « sol » ou le plan. Ce sont ces deux éléments qui travaillent ensemble de telle manière que le champ électromagnétique perçoit une impédance spécifique à toutes les fréquences.

La définition des rails d'alimentation PCB

Alors, qu'est-ce qu'un rail d'alimentation ? Un rail d'alimentation est tout ou partie d'une couche plane qui est utilisée pour une certaine tension, il fournit de l'énergie pour faire fonctionner le circuit. Dans pratiquement tous les circuits imprimés, certains signaux, souvent la moitié d'entre eux, doivent être routés au-dessus des couches d'alimentation. En conséquence, il est inévitable que tout ripple ou bruit présent sur un plan d'alimentation donné soit couplé à tout signal qui est routé au-dessus de ce plan particulier.

Le bruit de fond se compose des variations de tension qui apparaissent sur les rails Vcc ou Vdd des alimentations électriques. Ces variations peuvent être créées par le rail d'alimentation lui-même ou par les courants de charge variables qui provoquent la chute de la tension d'alimentation. En termes de bruit, dix sources possibles peuvent être générées par la conception. Elles comprennent :

• Réflexions
• Rebond de masse
• Décalages de masse
• Décalages thermiques
• Chute de tension IR sur les pistes
• Diaphonie
• Chute de tension IR de masse
• Précision de référence
• Bruit de terminaison
• Variations de l'alimentation électrique

Dans le cadre de cette discussion où presque tous les dispositifs logiques sont CMOS, les sources de bruit les plus probables sont les réflexions, la diaphonie, Vdd, et le rebond de masse ainsi que le bruit de fond sur Vdd.

Pour éviter d'avoir un ripple excessif sur les signaux, les rails de PCB doivent être conçus pour avoir une impédance très faible. En conséquence, lorsqu'on examine le delta I par rapport au ripple, comme cela se produit lors de l'utilisation des outils EDA qui calculeront ce que l'impédance sera, il est possible d'obtenir une réponse indiquant que l'impédance va être relativement élevée. Le niveau de ripple sera tout de même satisfaisant. Cela se produit lorsque le delta I est un nombre vraiment petit. L'impédance s'avère être vraiment élevée, mais c'est parce qu'il n'y a pas beaucoup de charge. Note : Il convient de noter que certains circuits d'alimentation sont de faible puissance, mais ce n'est pas un point de discussion pour cet article.

Les Défis

Le défi de la conception d'un rail d'alimentation PCB à faible impédance est que le rail d'alimentation est très probablement une partie d'un plan et non le plan entier lui-même. Par conséquent, il est nécessaire de partitionner le plan d'alimentation, mais ce faisant, il y aura des lacunes. En conséquence, les signaux qui traversent ces lacunes sembleront avoir leur chemin de retour de courant interrompu par les lacunes. Ce problème est résolu en concevant cette partie du plan pour qu'elle soit de très faible impédance entre le plan et la couche de terre en dessous de sorte que le courant de retour trouve son chemin à travers la lacune par cette section qui est de très faible impédance.

L'approche précédente élimine le besoin de s'occuper du routage des traces au-dessus des lacunes dans les plans, ce que de nombreuses règles de conception disent ne pas pouvoir être fait. La figure 1 montre les données mesurées de signaux traversant une lacune qui a été conçue de cette manière. La trace bleue est le signal traversant une lacune dans le plan sur lequel il est routé. La petite réflexion vers le haut au centre de la trace est l'endroit où se trouve la lacune. Comme on peut le voir, le signal au-dessus de la lacune n'est pas perturbé. (La trace rouge est un signal sur une trace plus courte qui ne passe pas par une lacune).
 

À la base de tout cela se trouve la règle immuable selon laquelle on ne doit pas couper les plans de masse, car ce sont les structures qui relient tout ensemble. Notre expérience a montré que lorsque les développeurs de produits font des coupures dans leurs plans de masse, ils essaient soit de résoudre un problème qu'ils ont imaginé, soit de résoudre le problème d'isolation d'un circuit par rapport à un autre. Le raisonnement classique, mais erroné, derrière cela est de séparer les masses analogiques et numériques. Cela se produit lorsque les ingénieurs de conception ne comprennent pas pourquoi il y a deux broches différentes sur une pièce, une analogique et une numérique, qui fournissent le chemin dans la puce. Ces ingénieurs opèrent souvent sur la base de la peur qu'il y aura une interférence indésirable d'un côté du circuit à l'autre. En conséquence, ils coupent le circuit pour isoler ce qui est, en dernière analyse, un problème imaginaire.

La situation précédente peut survenir d'un développeur de produit qui a constaté, lors d'une simulation, qu'il existe une différence ou une interférence indésirable entre un côté d'un PCB et l'autre et que celle-ci est suffisamment significative pour causer un problème. Chaque fois que nous sommes confrontés à ce type de scénario, nous demandons à voir les données mesurées à partir du matériel réel en fonctionnement. C'est uniquement grâce à ce type de preuves qu'un problème peut être clairement identifié.

Résumé

Afin d'éviter une ondulation excessive des signaux, les rails d'alimentation des PCB doivent être de faible impédance. Étant donné que le circuit du rail d'alimentation est très probablement une partie d'un plan et non le plan entier lui-même, il est nécessaire de partitionner le plan d'alimentation. Cela créera des écarts, et il semblera que ces écarts perturbent le chemin de retour du courant. Cela est résolu en concevant cette partie du plan pour qu'elle soit de faible impédance afin que le courant de retour trouve son chemin à travers ces écarts.

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