I fondamenti della PDN per il progettista di PCB

Quando i progettisti di PCB sentono il termine "PDN", o "Rete di Distribuzione dell'Energia", potrebbero evocare nozioni di grafici di Bode, magia nera e altre cose misteriose e spaventose. In realtà, l'obiettivo della PDN è semplice quanto la maggior parte degli aspetti della progettazione dei PCB che influenzano le prestazioni della PDN. In questo documento spiegheremo i vari aspetti della maggior parte delle progettazioni PDN e come il software di progettazione PCB può influenzarli.

OBIETTIVO GENERALE: CORRENTE E TENSIONE SUFFICIENTI PER TUTTI I CARICHI

L'obiettivo fondamentale di una Rete di Distribuzione dell'Energia è molto semplice - fornire corrente e tensione sufficienti a ogni carico per soddisfare le loro esigenze operative. Sebbene la progettazione complessiva di una PDN, inclusi i regolatori di tensione, il decoupling on-die, il packaging, il montaggio dei componenti, ecc., sia una scienza molto complessa che richiede una formazione specializzata e esperienza, ottimizzare un PCB per le prestazioni della PDN è meno complicato poiché un progettista di PCB è limitato in ciò che può fare. In questo documento, ci concentreremo su cosa considerare all'interno del layout del PCB per garantire che il vostro design del PCB fornisca corrente e tensione sufficienti a tutti i vostri carichi.

REQUISITO 1: METALLO SUFFICIENTE TRA FONTI E CARICHI

Assicurarsi che ci sia abbastanza metallo (solitamente rame) tra ciascuna delle sorgenti e i loro carichi corrispondenti è l'aspetto più critico della progettazione di una PDN. Dal lato positivo, per un costo nominale, l'IPC-2152 fornisce linee guida piuttosto chiare su come fare ciò. Dato il massimo corrente atteso e l'aumento di temperatura consentito, la specifica ti dice quale dovrebbe essere la larghezza minima per la tua forma di alimentazione. Sfortunatamente, un progettista che utilizza solo l'IPC-2152 sarà in sovra-dimensionamento del loro software di progettazione PCB pur essendo inconsapevole dei problemi nel loro progetto, il che comporta diverse limitazioni, tra cui:

- Le raccomandazioni di larghezza dell'IPC-2152 sono molto conservative. Rappresentano calcoli utilizzando dati da uno scenario termico peggiore (scheda a 2 strati senza rame adiacente) e gli utenti tipicamente fanno le ipotesi più conservative (ad es., aumento minimo della temperatura consentito). I progetti realizzati utilizzando solo l'IPC-2152 possono avere forme di alimentazione molto più grandi del necessario.

- Le raccomandazioni dell'IPC-2152 per le vie sono conservative. Questo è particolarmente problematico poiché le vie per un binario di alimentazione potrebbero perforare le forme di alimentazione sopra e sotto, quindi il numero e le dimensioni delle vie dovrebbero essere ottimizzati. I progetti realizzati utilizzando solo l'IPC-2152 possono avere vie di alimentazione più grandi o in numero maggiore del necessario.

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Stesura Conservativa del Rame

- IPC-2152 si applica solo al design più semplice. Una larghezza costante dalla sorgente al carico senza perforazioni da vie o costrizioni da componenti e altre forme. IPC-2152 non fornisce indicazioni su come affrontare le imperfezioni nelle forme di alimentazione di un design.

- IPC-2152 non offre spunti sulla posizione delle rotaie di alimentazione associate. I regolatori di tensione spesso hanno requisiti specifici per le varie forme di alimentazione associate a loro, dall'ingresso all'uscita, possibilmente includendo il feedback.

I progettisti hanno bisogno di strumenti migliori per ottimizzare la dimensione e la forma delle loro rotaie di alimentazione (e di terra), comunemente riferite come "PI-DC" o "IR Drop". Altium ha integrato questa capacità nel loro ambiente di progettazione con PDN Analyzer per rendere il più semplice possibile soddisfare i requisiti PDN. Piuttosto che fare affidamento su IPC-2152, un progettista può analizzare ogni rotaia di alimentazione per vedere quanto metallo è appropriato, includendo aspetti che IPC-2152 non affronta come:

- Distanza tra la sorgente e i carichi

- Caduta di tensione consentita tra la sorgente e i carichi

- Corrente consentita attraverso i pin dei connettori

- Compensazione per perforazioni o costrizioni nel piano di terra da vie, connettori, ecc.

- Parti delle forme di alimentazione o di terra che non trasportano corrente, rendendole candidate per potenziali problemi come fallimenti EMI e crosstalk eccessivo

- Efficienza delle forme di alimentazione e di terra

PDN Analyzer permette al progettista di soddisfare rapidamente e facilmente l'aspetto più fondamentale della progettazione PDN - ottimizzando il disegno del metallo tra le sorgenti e i carichi.

Progettazione con Penisole e Isole di Rame in Blu

REQUISITO 2: DIMENSIONI, VALORI, NUMERI E POSIZIONAMENTO DEI CONDENSATORI

Il prossimo aspetto della progettazione sotto il controllo dell'editor PCB è l'ottimizzazione dei condensatori. A prima vista, questo potrebbe sembrare intimidatorio poiché coinvolge caratteristiche dipendenti dalla frequenza, che sono molto meno intuitive rispetto all'aspetto PI-DC. Fortunatamente, la complessità è limitata dal numero di parametri che influenzano l'efficienza dei condensatori che uno schema di progettazione PCB può influenzare, includendo:

- Selezione dei condensatori (dimensioni, valori e numeri)

- Posizionamento dei condensatori

- Impilamento dei layer

Gli ultimi due sono aspetti che il progettista di PCB personalizzati può influenzare maggiormente e la loro ottimizzazione richiede l'osservazione di linee guida specifiche, inclusi (Bogatin, 2011):

- Distribuzione dei condensatori intorno al pacchetto del carico

- Posizionamento vicino dei condensatori

- Posizionare i piani di alimentazione e di terra del binario di alimentazione il più vicino possibile alla superficie della scheda

- Utilizzare il dielettrico più sottile possibile tra i piani di alimentazione e di terra

- Alternare la polarità delle vie dei condensatori quando si trovano in stretta prossimità

Posizionamento dei condensatori intorno al pacchetto di carico

Sono disponibili anche strumenti gratuiti per aiutare il progettista con l'ottimizzazione dei condensatori, inclusi Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) e Altera (come il loro "strumento PDN").

UNA NOTA SULLA COMPLESSITÀ DEL DESIGN

Esistono sistemi di alimentazione più sofisticati, come i controllori di motori con requisiti aggiuntivi come induttori, loop di feedback, ecc., che non tratteremo qui. In questi casi, saranno necessari strumenti di analisi e/o linee guida più complessi di quelli a cui la maggior parte dei progettisti di PCB ha accesso.

Grafico della densità di corrente su un design rigido-flessibile complesso

QUESTO È TUTTO?

La progettazione di una soluzione PDN a livello di sistema che soddisfi le capacità e i requisiti di ogni sorgente e carico è una scienza molto sofisticata. Ma PDN Analyzer permette al software di progettazione PCB di ottimizzare facilmente le forme di alimentazione e di terra per utilizzare la minima quantità di spazio e componenti aumentando al contempo l'affidabilità di un design.

Mappa della Densità di Corrente su Design Rigido-Flessibile