Analisi e realizzazione di modelli 3D dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione collegata all’alimentatore di tensione (PDN - Power Distribution Network): Dallo schematico al layout

Zachariah Peterson
|  Created: November 3, 2019  |  Updated: March 10, 2021

Traces and components on a PCB for use in PDN impedance analysis

Si parla molto dell'integrità di segnale (Signal Integrity), ma questa è intimamente correlata all'integrità di alimentazione (Power integrity). Non si tratta solamente di ridurre il rumore di commutazione o il ripple dal tuo alimentatore/regolatore di tensione. È qui che l'impedenza della tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) nel tuo circuito stampato potrebbe mostrare il suo lato peggiore in alcuni progetti, causando il mancato funzionamento dei componenti della tua scheda, a causa di problemi di alimentazione.

Ecco dove questo aiuta a comprendere alcuni modelli di base per l'analisi dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). Se hai la possibilità di creare alcuni modelli ragionevolmente accurati per l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), puoi progettare reti di disaccoppiamento adeguate per il tuo componente, al fine di mantenere l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) entro limiti accettabili.

Perché eseguire l'analisi dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)?

Leggendo questo articolo i designer che progettano circuiti ad alta velocità e alta frequenza sapranno già la risposta a questa domanda. Tuttavia, con l'aumento delle esigenze tecnologiche, saremo presto tutti progettisti di circuiti ad alta velocità e alta frequenza prima di quanto desideriamo, quindi è importante capire come l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) influisce sul comportamento dei segnali nel tuo circuito stampato. Sfortunatamente, non sempre riusciamo a racchiudere queste informazioni in un unico argomento, quindi lo farò volentieri in questo articolo.

In breve, la tua impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) influirà sui seguenti aspetti dei tuoi circuiti:

  • Rumore del bus di alimentazione. L'ondulazione di tensione si crea a causa di correnti transitorie nel tuo circuito stampato. Notare che, poiché l'impedenza della tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) è una funzione della frequenza, anche l'ondulazione di tensione causata da una commutazione sarà una funzione della frequenza. Notare inoltre che questi transitori possono insorgere indipendentemente dal livello di rumore in uscita dal tuo regolatore di tensione.

  • Smorzamento del rumore del bus di alimentazione. In alcuni casi, qualsiasi ondulazione sul bus di alimentazione potrebbe apparire come un transitorio oscillante (ad esempio, un'oscillazione transitoria sottosmorzata). Questo è un problema che può verificarsi se il tuo condensatore di disaccoppiamento non è dimensionato correttamente o se non tieni conto della frequenza di auto-risonanza del condensatore di disaccoppiamento nella tua rete di disaccoppiamento.

  • Livello di disaccoppiamento richiesto. In passato, i condensatori non erano sufficienti a garantire il disaccoppiamento nei circuiti stampati con TTL e famiglie logiche più veloci, a causa delle loro frequenze di auto-risonanza relativamente basse (~100 MHz). Pertanto, i progettisti utilizzavano capacità di interpolare per fornire una capacità sufficiente a garantire il disaccoppiamento. Sono disponibili sul mercato nuovi condensatori con frequenze di auto-risonanza in GHz, che li rendono sufficienti per fornire il disaccoppiamento nei circuiti stampati ad alta velocità/alta frequenza.

  • Percorso di ritorno della corrente. La tua corrente di ritorno seguirà il percorso con minima resistenza (per corrente continua) o minima reattanza (per corrente alternata). L'impedenza nella tua rete di messa a terra varierà nello spazio, il che dipende in parte dall'accoppiamento passivo tra le tracce di segnale e la rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN).

  • Caduta di corrente. La sezione in corrente continua della tua alimentazione e corrente di ritorno subirà alcune perdite, dovute alla resistenza intrinseca dei conduttori che compongono la tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). L'immagine seguente mostra un esempio dei risultati dell'analisi della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), che illustrano la corrente di ritorno sotto una traccia di segnale specifica e la corrente continua nello stesso piano di messa a terra.

  • Jitter di temporizzazione. Poiché i segnali hanno un tempo di propagazione limitato, la corrente assorbita dai condensatori di disaccoppiamento e dal regolatore impiegherà del tempo per raggiungere il componente di commutazione. Quando questi segnali raggiungono il componente possono interferire con il segnale di uscita, creando effettivamente una reazione jitter nel periodo di salita del segnale. In generale, il jitter di temporizzazione dovuto al rumore della barra di alimentazione, aumenta con l'intensità del rumore e la lunghezza tra il regolatore e il componente. Su lunghe barre di alimentazione, ciò può far sì che il jitter di temporizzazione raggiunga le centinaia nell'ordine di nanosecondi, il che potrebbe desincronizzare i dati e aumentare i livelli di errore dei bit.

PDN impedance analysis output

Notare la traccia di segnale in questa uscita dell'analizzatore della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)

Modello semplificato per l'analisi dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)

Puoi modellare lo spettro d'impedenza della tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) e la sua risposta transitoria direttamente dal tuo schematico, a patto che tu tenga conto dei passivi nella tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). Nel modello seguente noterai diversi elementi del circuito, anche se questo modello contiene solamente due componenti reali. Il primo è il tuo alimentatore/regolatore, che ha una determinata impedenza di output Z (out) ed è in genere una serie RL. Il secondo è il condensatore di disaccoppiamento, che ha una capacità ideale di Cc1. Gli elementi circuitali rimanenti sono passivi. I valori Rs e Ls hanno lo scopo di modellare rispettivamente la resistenza intrinseca del conduttore e l'induttanza del piano di potenza passivo. Gli elementi Rp, Lp e Cp rappresentano l'accoppiamento passivo tra i piani di potenza e di messa a terra (ovvero la capacità di interpolare).

PDN impedance analysis model

Modello semplificato per l'analisi dell'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). Fonte immagine: nwengineeringllc.com

Prima di analizzare questo modello hai bisogno di determinare o stimare i valori dei vari elementi nel tuo modello. I valori del condensatore di disaccoppiamento sono semplici. Puoi ottenerli dal datasheet per il condensatore desiderato. La capacità di interpolare è anche facile da stimare approssimativamente. Utilizza semplicemente la costante dielettrica per il tuo substrato, l'area del tuo piano sovrapposto di messa a terra/potenza e la distanza tra loro nella tua pila, così da conoscere la capacità di interpolare Cp. I restanti valori R possono essere calcolati utilizzando le tue dimensioni di traccia desiderate. I valori L devono essere stimati a partire dall'induttanza approssimativa dell'anello per ciascuna porzione del circuito. Questi valori sono generalmente dell'ordine di pH fino a pochi nH.

Il tuo obiettivo nell'analizzare questo modello è duplice:

  1. Determinare l'impedenza tra i terminali + e - sul lato destro, in funzione della frequenza. Questo può essere fatto con una semplice scansione di frequenza.

  2. Verificare che l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) sia inferiore alla tua impedenza di obiettivo. Notare che l'impedenza di obiettivo viene calcolata utilizzando la corrente che un circuito integrato di commutazione assorbirà nella rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) e l'ondulazione di tensione consentita:

PDN impedance analysis model

Impedenza di obiettivo

  1. Esaminare il comportamento dei transitori aggiungendo una sorgente di corrente in parallelo con l'uscita dell'alimentatore (posizionare il terminale positivo prima di Z (all'esterno)). Impostare la sorgente di corrente per fornire un impulso a funzione delta con la carica totale Q mostrata nell'equazione seguente, oppure per fornire una corrente intensificata. Questo simulerà una scarica di corrente che si propaga a un circuito integrato di commutazione, all'estremità destra della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN).

PDN impedance analysis model

Grandezza dell'impulso da utilizzare per simulare la risposta ai transienti nella tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)

  1. Verificare che la risonanza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) con la frequenza più bassa (ovvero il picco nello spettro d'impedenza) sia maggiore della frequenza di velocità di variazione del segnale per i tuoi circuiti integrati di commutazione. L'idea è di ridurre al minimo l'ondulazione sulla banda di frequenza più ampia possibile.

Notare che il punto 3 è inteso a modellare la risposta dei transitori a causa di circuiti integrati di commutazione a valle. Se disponi di 10 circuiti integrati che commutano simultaneamente e assorbono tutti la stessa corrente transitoria nella rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), la tua intensità d'impulso sarà un fattore 10 volte più grande e la tua impedenza di obiettivo dovrà essere un fattore 10 volte più piccolo. Dopo aver esaminato questi tre punti, puoi passare all'interpretazione dei tuoi risultati e determinare quali passi di progettazione puoi intraprendere per limitare le fluttuazioni di potenza nella tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN).

Come interpretare i risultati dell'analisi d'impedenza della tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN)

Per quanto riguarda i punti n° 1 e 2, vuoi verificare che l'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) sia inferiore all'impedenza di obiettivo a tutte le frequenze tra la frequenza di clock e la frequenza di velocità di variazione del segnale (per segnali digitali), oppure all'interno della frequenza pertinente che utilizzerai (per segnali analogici). Se questo è il caso ricercato e hai calcolato l'impedenza in base al caso in cui tutti i circuiti integrati commutino simultaneamente, la tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) probabilmente funzionerà come previsto, senza alcun conseguente problema d'integrità di segnale.

L'indirizzamento dei risultati dal punto 3 dipende dal fatto che la risposta del transitorio nella tua rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) appaia come un'oscillazione sottosmorzata. Se la risposta del transitorio è sottosmorzata, hai bisogno di guidare questa oscillazione in un regime fortemente smorzato o sovrasmorzato. Ciò richiede l'utilizzo di un condensatore di disaccoppiamento di dimensioni maggiori oppure di un condensatore con una minore induttanza effettiva in serie. Il condensatore di disaccoppiamento deve essere dimensionato per fornire la carica d'impulso sopra elencata, ma puoi certamente provare ad utilizzare un condensatore di disaccoppiamento con dimensioni maggiori, al fine di modificare le condizioni per la risonanza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) più bassa, in modo che la risposta del transitorio sia sovrasmorzata oppure eccessivamente piccola.

Il raggiungimento dell'obiettivo al punto 4 non è sempre possibile, ma dovresti comunque fare una prova. Anche se non riesci a raggiungere questo obiettivo di progettazione, avrai comunque le idee chiare se l'impedenza a una risonanza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) sia ancora inferiore all'impedenza di obiettivo ed esiste solo una risonanza d'impedenza della rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) all'interno della tua larghezza di banda pertinente. Se ci sono picchi di risonanza d'impedenza multipli all'interno della tua larghezza di banda rilevante, allora potresti essere nei guai, poiché l'impedenza totale individuata dalla corrente del transitorio è approssimativamente la somma delle impedenze di picco. Sarà quindi probabile che questa impedenza totale superi l'impedenza di obiettivo.

Oltre alle problematiche relative al dimensionamento del condensatore disaccoppiato e all'auto-risonanza sopra menzionate, i risultati del punto 3 dovrebbero illustrare perché la capacità di interpolare sia elencata come un requisito per il corretto disaccoppiamento dei circuiti integrati con una logica di 1 ns o velocità superiori (ad esempio ECL). Oltre all'utilizzo dei condensatori di disaccoppiamento di grandi dimensioni, con frequenze di auto-risonanza molto elevate (ora disponibili sul mercato), posizionare i piani di messa a terra e potenza su layer adiacenti era storicamente l'unico modo per fornire il livello richiesto di disaccoppiamento in una rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). Notare che, se aumenti la capacità di interpolare o la capacità di disaccoppiamento utilizzando più condensatori (vedere l'articolo collegato nel paragrafo precedente), rendere tale capacità sufficientemente grande porterà la risposta del transitorio in un regime sovrasmorzato, eliminandolo efficacemente.

Cosa dire a riguardo del die e del pacchetto?

Speriamo che il progettista astuto abbia notato che i contributi forniti dall'impedenza del pacchetto e del die non siano stati inclusi nell'analisi sopra descritta, poiché sono integrati nel carico nella rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN). Anche questi elementi devono essere presi in considerazione nella rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN), in quanto contengono passivi capacitivi e induttivi.

PDN impedance analysis with component die and package

Modello di rete di distribuzione dell'alimentazione (PDN) con pacchetto e die passivi

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Zachariah Peterson ha una vasta esperienza tecnica nel mondo accademico e industriale. Prima di lavorare nel settore dei PCB, ha insegnato alla Portland State University. Ha condotto la sua Fisica M.S. ricerche sui sensori di gas chemisorptivi e il suo dottorato di ricerca in fisica applicata, ricerca sulla teoria e stabilità del laser casuale. Il suo background nella ricerca scientifica abbraccia temi quali laser a nanoparticelle, dispositivi semiconduttori elettronici e optoelettronici, sistemi ambientali e analisi finanziaria. Il suo lavoro è stato pubblicato in diverse riviste specializzate e atti di conferenze e ha scritto centinaia di blog tecnici sulla progettazione di PCB per numerose aziende. Zachariah lavora con altre società del settore PCB fornendo servizi di progettazione e ricerca. È membro della IEEE Photonics Society e dell'American Physical Society.

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