Perché le linee di alimentazione PCB devono avere una bassa impedenza

Come è stato notato in diversi miei articoli e nelle informazioni sul design dei PCB disponibili per l'industria, ottenere la giusta impedenza è fondamentale per garantire che un prodotto funzioni correttamente e come progettato.

Quello che non è così facilmente comprensibile e può rimanere una sfida se non affrontato adeguatamente durante la fase di sviluppo del prodotto, è la necessità di avere tutte le linee di alimentazione del PCB di bassa impedenza per evitare eccessivi ripple sui segnali. Questo articolo affronterà questa necessità, includendo cosa costituiscono le elettroniche delle linee di alimentazione, come funzionano, come la paura può essere un fattore determinante nel prendere decisioni di progettazione sbagliate, e cosa è una linea di alimentazione.

Panoramica sull'Impedenza

L'impedenza è una proprietà significativa delle linee di trasmissione. È la resistenza che una linea di trasmissione presenta al flusso di energia lungo di essa. È composta da tre elementi parassiti: resistenza, capacità e induttanza. Come dimostrato, la resistenza parassita è il fattore principale che determina l'impedenza della linea di trasmissione in corrente continua o a basse frequenze. Man mano che la frequenza supera alcuni chilohertz, la reattanza dell'induttanza parassita tende a bloccare o impedire il flusso di energia. Allo stesso tempo, la capacità parassita tende a derivare l'energia verso il "terreno" o il piano. Sono questi due elementi che lavorano insieme in modo tale che il campo elettromagnetico veda un'impedenza specifica a tutte le frequenze.

La Definizione delle Linee di Alimentazione PCB

Cos'è quindi una linea di alimentazione? Una linea di alimentazione è tutta o parte di uno strato piano che viene utilizzato per una certa tensione, fornisce energia per fare funzionare il circuito. In praticamente tutti i circuiti stampati, alcuni segnali, spesso la metà di essi, devono essere instradati sopra gli strati di alimentazione. Di conseguenza, è inevitabile che qualsiasi ondulazione o rumore presente su un dato piano di alimentazione venga accoppiato a qualsiasi segnale che viene instradato su quel particolare piano.

Il ripple consiste nelle variazioni di tensione che appaiono sui binari Vcc o Vdd degli alimentatori. Queste variazioni possono essere create dal binario dell'alimentazione stessa o dalle correnti di carico variabili che causano la caduta della tensione di alimentazione. In termini di rumore, dieci possibili fonti possono essere generate dal design. Esse includono:

• Riflessioni
• Rimbalzo di terra
• Offset di terra
• Offset termici
• Caduta di tensione IR sulla traccia
• Diafonia
• Caduta di tensione IR a terra
• Accuratezza di riferimento
• Rumore del terminatore
• Variazioni dell'alimentatore

Per quanto riguarda questa discussione dove quasi tutti i dispositivi logici sono CMOS, le fonti di rumore più probabili sono le riflessioni, la diafonia, Vdd, e il rimbalzo di terra e il ripple su Vdd.

Per evitare di avere un eccessivo ripple sui segnali, i binari del PCB devono essere progettati per avere un'impedenza molto bassa. Di conseguenza, quando si osserva il delta I rispetto al ripple, come avviene quando si utilizzano gli strumenti EDA che calcoleranno quale sarà l'impedenza risultante, è possibile ottenere una risposta che indica che l'impedenza sarà relativamente alta. Il livello di ripple sarà comunque soddisfacente. Questo accade quando il delta I è un numero davvero piccolo. L'impedenza risulta essere molto alta, ma ciò è dovuto al fatto che il carico non è molto. Nota: Va notato che alcuni circuiti di alimentazione sono a bassa potenza, ma questo non è un punto di discussione per questo articolo.

Le Sfide

La sfida nella progettazione di un binario di alimentazione PCB a bassa impedenza consiste nel fatto che il binario di alimentazione sarà molto probabilmente una parte di un piano e non l'intero piano stesso. Pertanto, è necessario partizionare il piano di alimentazione, ma facendo ciò, si creeranno dei vuoti. Di conseguenza, i segnali che attraversano questi vuoti sembreranno avere il loro percorso di corrente di ritorno interrotto dai vuoti. Questo problema viene risolto ingegnerizzando quella parte del piano per essere a bassissima impedenza tra il piano e lo strato di terra sottostante in modo che la corrente di ritorno trovi la sua via attraverso il vuoto attraverso quella sezione che è di impedenza molto bassa.

L'approccio precedente elimina la necessità di affrontare il routing delle tracce sopra i vuoti nei piani, cosa che molte regole di progettazione dicono non possa essere fatto. La Figura 1 mostra i dati misurati dei segnali che attraversano un vuoto che è stato ingegnerizzato in questo modo. La traccia blu è il segnale che attraversa un vuoto nel piano su cui è instradato. La piccola riflessione verso l'alto al centro della traccia indica dove si trova il vuoto. Come si può vedere, il segnale sopra il vuoto non è interrotto. (La traccia rossa è un segnale su una traccia più corta che non passa sopra un vuoto).
 

Alla base di tutto ciò vi è la regola ferrea secondo cui non si devono tagliare i piani di massa, poiché sono le strutture che legano tutto insieme. La nostra esperienza ha dimostrato che quando gli sviluppatori di prodotti effettuano tagli nei loro piani di massa, stanno cercando di risolvere un problema che hanno immaginato o stanno cercando di risolvere il problema dell'isolamento di un circuito da un altro. Il ragionamento classico, errato, dietro a ciò è separare i terreni analogici e digitali. Questo avviene quando gli ingegneri di progettazione fraintendono il motivo per cui ci sono due pin diversi su un componente, uno analogico e uno digitale, che forniscono il percorso all'interno del chip. Questi ingegneri spesso operano sulla base della paura che ci sarà interferenza indesiderata da un lato all'altro della scheda. Di conseguenza, tagliano la scheda per isolare quello che, in ultima analisi, è un problema immaginario.

La situazione precedente può derivare da uno sviluppatore di prodotti che ha notato, durante la simulazione, che c'è una differenza o interferenza indesiderata tra un lato di un PCB e l'altro e che è abbastanza significativa da causare un problema. Ogni volta che ci troviamo di fronte a questo tipo di scenario, chiediamo di vedere i dati misurati da hardware reale funzionante. È solo attraverso questo tipo di prove che un problema può essere facilmente accertato.

Riassunto

Per evitare un'eccessiva ondulazione dei segnali, le linee di alimentazione del PCB devono avere un'impedenza bassa. Poiché il circuito della linea di alimentazione è molto probabilmente parte di un piano e non l'intero piano stesso, è necessario partizionare il piano di alimentazione. Ciò creerà delle lacune, e sembrerà che queste lacune interrompano il percorso di ritorno della corrente. Questo problema viene risolto ingegnerizzando quella parte del piano per essere a bassa impedenza in modo che la corrente di ritorno trovi la sua via attraverso queste lacune.

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