Misurazione dell'impedenza PDN per il design del sottosistema di alimentazione

Quando si tratta dei complessi design PCB multistrato ad alta velocità di oggi, uno degli aspetti più critici del processo di sviluppo del prodotto si concentra sulla progettazione del sottosistema di alimentazione. Per quella parte del progetto, l'obiettivo è rendere l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) il più bassa possibile (alcuni milliOhm) su un'ampia gamma di frequenze. Mentre si determina che l'impedenza della PDN del sottosistema di alimentazione soddisfi adeguatamente i parametri di prestazione del PCB finale, ci sono elementi specifici che vengono affrontati durante il processo di test:

• Creazione dei punti di accesso per i test sul PCB utilizzati per una misurazione dell'impedenza della PDN.
• Creazione dell'impostazione del test dell'impedenza della PDN rispetto alla frequenza.
• Creazione di sonde di test su misura.

Questo articolo descriverà questi elementi e come assicurano che il processo di test dell'impedenza del sottosistema di alimentazione rifletta le effettive prestazioni del prodotto finale.

La sfida della misurazione dell'impedenza della PDN

Il principale dilemma che circonda il processo di misurazione dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) (e altre misurazioni dell'integrità dell'alimentazione) è che gli sviluppatori di prodotti non sanno sempre la larghezza di banda del segnale che gli IC su un PCB richiederanno. Di conseguenza, quell'impedenza deve essere resa bassa dalla corrente continua fino a decine di GHz. Questo si ottiene costruendo un PCB con un impilamento che corrisponda all'impilamento previsto per il vostro design. Dovrebbe includere anche i condensatori che intendete utilizzare nella vostra PDN posizionati nelle loro posizioni previste. È quindi necessario misurare l'impedenza rispetto alla frequenza per l'intera scheda.

La figura 1 illustra come progettare i punti di accesso utilizzati per misurare l'impedenza dell'alimentazione e dei condensatori di bypass. 

Questo test verifica che la popolazione dei condensatori di disaccoppiamento sia corretta per ogni piano di alimentazione, o per ogni tensione di alimentazione se vengono utilizzati più alimentatori sulla stessa scheda. Due di questi punti di accesso sono richiesti per ogni ingresso di alimentazione o piano di alimentazione. Queste due strutture dovrebbero essere posizionate ad almeno un pollice di distanza l'una dall'altra e poi etichettate con la tensione a cui si collegano. Il primo punto consente di iniettare un segnale nel condensatore del piano mentre il secondo permette la misurazione della tensione risultante. Questi punti di accesso sono progettati in modo tale da consentire l'uso di sonde speciali a bassa induttanza (maggiori dettagli su queste sonde di seguito) per realizzare i collegamenti dalla scheda a un analizzatore di spettro che verrà utilizzato per eseguire i test effettivi. Gli adesivi in Figura 2 mostrano i punti di accesso per le sonde di test in un esempio di PCB.

Un analizzatore di spettro con un generatore di segnali di tracciamento viene utilizzato per raccogliere la misurazione Z vs. F (impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione rispetto alla frequenza), come mostrato in Figura 3.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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L'uscita dal generatore di segnali di tracciamento viene utilizzata per iniettare la corrente costante sopra menzionata. I dati visualizzati sullo schermo dell'analizzatore di spettro sono impostati per essere visualizzati in volt, e sono proporzionali all'impedenza della PDN.

Le sonde di test menzionate, con ultra-bassa induttanza e ultra-bassa impedenza, sono mostrate in Figura 4. Sono costruite da un breve pezzo di cavo coassiale semi-rigido SR 141 con un connettore maschio SMA su un'estremità e un breve pezzo di filo rigido (le aghi da cucito funzionano) sull'altra. 

Una volta ottenuti i dati dall'analizzatore di spettro, l'ingegnere che esegue il test utilizza la corrente iniettata per convertire la tensione misurata in impedenza. Sulla base del risultato di questi dati, si può determinare se sono stati raggiunti gli obiettivi di impedenza del design del sottosistema di alimentazione.

Una Cautela

Se non ci sono punti di test su una scheda come quelli mostrati in Figura 1, sarà necessario saldare i cavi coassiali nei punti che entrano in contatto con i due piani misurati. Il modo migliore per fare ciò è rimuovere due condensatori 0603 e saldare i cavi coassiali, come mostrato in Figura 5. 

Quando si saldano i terminali alla PCB, come mostrato in questa figura, è utile avere un modo rapido per scollegare i cavi dall'analizzatore. Il modo più semplice per farlo è utilizzare connettori BNC come quelli mostrati nella Figura 3. La Figura 6 mostra adattatori SMA che si collegano ai cavi di prova con sonde su di essi. Per misurare l'impedenza rispetto alla frequenza in modo accurato, le connessioni devono essere sufficientemente distanti in modo che i due percorsi non creino un'induttanza mutua.

Riassunto

Ora che il segnalamento differenziale è diventato così facile, l'aspetto più sfidante dei progetti attuali è ottenere un sistema di alimentazione corretto. Una delle schede per cui abbiamo recentemente fornito servizi di consulenza aveva oltre 200 collegamenti differenziali da 28 Gbps. Ci è voluto circa un giorno per capire come gestire tutti quei collegamenti. Lo stesso progetto aveva 29 diversi binari di tensione; capire la domanda di corrente in ogni binario, delta(i), e l'ondulazione ha richiesto quasi un mese.

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Riferimenti

1. Ritchey, Lee W., e Zasio, John J., “Right The First Time, Un Manuale Pratico su PCB ad Alta Velocità e Progettazione di Sistemi,” Volume 2.
2. Ritchey, Lee W., Diapositive del Corso, “Corso di 2 giorni su Integrità del Segnale e Progettazione di Sistemi ad Alta Velocità,” classe di formazione.