電力サブシステム設計のためのPDNインピーダンス測定

今日の複雑な多層、高速PCB設計において、製品開発プロセスの最も重要な側面の一つは、電源サブシステムの設計に焦点を当てることです。その設計の部分では、PDNインピーダンスを可能な限り低くすること（数ミリオーム）が目標とされています。これは、広範囲の周波数にわたって適用されます。電源サブシステムのPDNインピーダンスが最終的なPCBの性能パラメータを適切に満たしているかを決定する際には、テストプロセス中に特定の要素が対処されます：

• PDNインピーダンス測定用のPCB上のアクセステストポイントを作成する。
• PDNインピーダンス対周波数テストセットアップを作成する。
• カスタムメイドのテストプローブを作成する。

この記事では、これらの要素と、電源サブシステムのインピーダンステストプロセスが最終製品の実際の性能を反映する方法について説明します。

PDNインピーダンス測定の課題

PDNインピーダンス測定プロセス（およびその他の電力整合性測定）を取り巻く主なジレンマは、製品開発者がPCB上のICが要求する信号帯域幅を常に知っているわけではないことです。その結果、そのインピーダンスはDCから数十GHzまで低く保たれなければなりません。これは、意図した設計に合ったスタックアップを持つPCBを構築することで達成されます。また、PDNに使用する予定のキャパシタを意図した位置に配置することも含まれます。その後、ボード全体のインピーダンス対周波数を測定する必要があります。

図1は、電源とバイパスキャパシタのインピーダンスを測定するために使用するアクセスポイントを設計する方法を示しています。 

このテストは、各電源プレーンまたは複数の電源が同じボードで使用されている場合は各電源電圧に対して、デカップリングキャパシタの配置が正しいことを検証します。各電源入力または電源プレーンに対して、これらのアクセスポイントが2つ必要です。これら2つの構造は、少なくとも1インチ離して配置し、それらが接続する電圧でラベル付けする必要があります。最初のポイントは、プレーンキャパシタに信号を注入するために使用され、2番目のポイントは、結果として生じる電圧の測定に使用されます。これらのアクセスポイントは、特別な低インダクタンスプローブ（以下でこれらのプローブについて詳しく説明します）がボードからスペクトラムアナライザーに接続を行い、実際のテストを実行することを可能にするように設計されています。図2のステッカーは、例示されたPCB内のテストプローブのアクセスポイントを示しています。

追跡信号発生器を備えたスペクトラムアナライザーは、図3に示されているように、Z対F（PDNインピーダンス対周波数）測定を収集するために使用されます。

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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追跡信号発生器からの出力は、上記の定電流を注入するために使用されます。スペクトラムアナライザーの画面に表示されるデータはボルトで表示されるように設定され、PDNインピーダンスに比例しています。

前述の超低インダクタンス、超低インピーダンス試験プローブは図4に示されています。これらは、一端にオスのSMAコネクタを持ち、他端に硬い線（裁縫針が使えます）の短片を持つSR 141半硬質同軸ケーブルの短い部分から作られています。

スペクトラムアナライザーからデータを取得した後、テストを実施するエンジニアは、注入された電流を使用して測定された電圧をインピーダンスに変換します。そのデータの結果に基づいて、電源サブシステム設計のインピーダンス目標が達成されたかどうかを判断できます。

注意点

図1に示されているようなテストポイントがボード上にない場合、測定される二つの平面に接触する場所に同軸ケーブルを売る必要があります。これを行う最良の方法は、二つの0603キャパシタを取り外し、図5に示されているように同軸ケーブルをはんだ付けすることです。

この図に示されているように、PCBにリードをはんだ付けする際、アナライザーからケーブルを素早く切断する方法があると便利です。これを行う最も簡単な方法は、図3に示されているようなBNCコネクタを使用することです。図6は、プローブを備えたテストケーブルに接続するSMAアダプタを示しています。インピーダンスを周波数に対して正確に測定するためには、2つのパスが相互インダクタンスを生じさせないように、接続が十分に離れている必要があります。

要約

今や差動信号がとても簡単になったため、現在の設計で最も挑戦的な側面は電力供給システムを正しく取り扱うことです。私たちが最近コンサルティングサービスを提供したボードの1つは、200以上の28 Gbps差動リンクを持っていました。それらのリンクすべてをどう扱うかを把握するのに約1日かかりました。その同じ設計には29の異なる電圧レールがあり、各レールの電流需要、デルタ(i)、およびリップルを把握するのにほぼ1ヶ月かかりました。

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参考文献

1. Ritchey, Lee W., and Zasio, John J., 「Right The First Time, A Practical Handbook on High Speed PCB and System Design」、第2巻。
2. Ritchey, Lee W., コーススライド、「2-Day Signal Integrity and High Speed System Design」、トレーニングクラス。