PCBデザイナーのためのPDNの基礎

投稿日 2017/02/10 金曜日
更新日 2021/01/4 月曜日
PCBデザイナーのためのPDNの基礎

PCBデザイナーが「PDN」または「Power Distribution Network(電力分配ネットワーク)」という用語を聞くと、ボード線図やブラックマジック、その他の神秘的で怖いものを想像するかもしれません。実際には、PDNの目標は、PDNの性能に影響を与えるPCB設計のほとんどの側面と同じくらい単純です。この論文では、ほとんどのPDN設計のさまざまな側面と、PCB設計ソフトウェアがそれらにどのように影響を与えるかを説明します。

 

全体的な目標:すべての負荷に十分な電流と電圧を供給する

電力分配ネットワークの基本的な目標は非常に単純です - すべての負荷にその動作要件を満たすために十分な電流と電圧を提供することです。PDNの全体設計、電圧レギュレーター、オンダイデカップリング、パッケージング、コンポーネントの取り付けなどを含む、は非常に難しい科学であり、特別な訓練と経験が必要ですが、PCBのPDN性能を最適化することは、PCBデザイナーができることに限りがあるため、それほど複雑ではありません。この論文では、PCBレイアウト内で考慮すべきことに焦点を当て、PCB設計がすべての負荷に十分な電流と電圧を提供することを確実にします。

要件1:ソースと負荷の間に十分な金属を確保する

PDN設計において最も重要な側面は、各電源とそれに対応する負荷の間に十分な金属(通常は銅)があることを確保することです。明るい面では、名目上のコストで、IPC-2152はこれを行う方法に関してかなり直接的なガイドラインを提供します。最大想定電流と許容温度上昇を考慮して、電源形状の最小幅が何であるべきかを仕様が教えてくれます。残念ながら、IPC-2152のみを使用する設計者は、PCB設計ソフトウェアを過設計しながら、設計における問題点に気づかず、いくつかの制限を伴います。これには以下のようなものが含まれます:

- IPC-2152の幅の推奨事項は非常に保守的です。これらは、隣接する銅がない2層ボードの熱的な最悪のシナリオを使用して計算されたもので、ユーザーは通常、最も保守的な仮定(例えば、許容される最小温度上昇)をします。IPC-2152のみを使用して作成された設計は、必要以上に大きな電源形状を持つ可能性があります。

- IPC-2152のビアの推奨事項は保守的です。これは特に問題となるのは、一つの電源レールのためのビアが上下の電源形状を貫通する可能性があるためで、したがってビアの数とサイズは最適化されるべきです。IPC-2152のみを使用して作成された設計は、必要以上に大きなビアや多くの電源ビアを持つ可能性があります。

Conservative Copper Pour

保守的な銅の流れ

- IPC-2152は、最も単純な設計にのみ適用されます。ソースから負荷までの一貫した幅で、ビアによる穿孔やコンポーネントやその他の形状による狭窄がないものです。IPC-2152は、設計の電源形状の不備にどのように対処するかについての指針を示しません。

- IPC-2152は、関連する電源レールの配置についての洞察を提供しません。電圧レギュレータは、入力から出力まで、場合によってはフィードバックを含む、それらに関連するさまざまな電源形状に対して特定の要件を持つことがよくあります。

設計者は、電源(およびグラウンド)レールのサイズと形状を最適化するためのより良いツールが必要です。これは一般に「PI-DC」または「IRドロップ」と呼ばれます。Altiumは、PDN要件をできるだけ簡単に満たすために、この機能をPDN Analyzerを使用して設計環境に統合しました。IPC-2152に頼るのではなく、設計者は各電源レールを分析して、IPC-2152が対処しない側面を含め、どれだけの金属が適切かを確認できます。

- ソースと負荷の間の距離

- ソースと負荷の間の許容電圧降下

- コネクタピンを通る許容電流

- ビア、コネクタなどによるグラウンドプレーンの穿孔や狭窄の補償

- 電力またはグラウンド形状の一部で電流を運ばない部分は、EMIの失敗や過剰なクロストークなどの潜在的な問題の候補となります

- 電力およびグラウンド形状の効率

PDN Analyzerを使用すると、設計者はPDN設計の最も基本的な側面、つまりソースと負荷の間の金属の設計を最適化することを迅速かつ容易に達成できます。

Design with Copper Peninsula and Islands in Blue

青で銅の半島と島を使った設計

要件2: コンデンサのサイズ、値、数、および配置

PCBエディタの制御下にある設計の次の側面は、コンデンサの最適化です。一見すると、これは周波数依存特性を含むため、PI-DCの側面よりも直感的ではないように思えるかもしれません。幸いなことに、PCBデザイナーの回路図が影響を与えることができるパラメーターの数によって複雑さは限定されます。これには次のものが含まれます:

- コンデンサの選択(サイズ、値、および数)

- コンデンサの配置

- レイヤースタックアップ

最後の2つは、カスタムPCBデザイナーが最も影響を与えることができ、その最適化は特定のガイドラインの観察を要求します(Bogatin, 2011):

- 負荷のパッケージの周りにコンデンサを分散させる

- コンデンサの近接配置

- 電源レールの電源面とグラウンド面をできるだけ基板の表面に近づける

- 電源面とグラウンド面の間に可能な限り薄い誘電体を使用する

- コンデンサのビアの極性を、それらが近接している場合に交互にする


Capacitor Placement Around Load Package

負荷パッケージ周辺のコンデンサ配置

また、Rolf Ostergaard (www.pdntool.com) やAltera(彼らの「PDNツール」として)を含む、設計者がコンデンサの最適化を支援する無料ツールもあります。

設計の複雑さについての注意

インダクタ、フィードバックループなどの追加要件を持つモーターコントローラーのような、より高度に洗練された電力供給システムがありますが、ここでは取り上げません。これらの場合、ほとんどのPCB設計者がアクセスできるものよりも、より複雑な分析ツールや/またはガイドラインが必要になります。

Current Density Plot on Complex Rigid-Flex Design

複雑なリジッドフレックス設計における電流密度プロット

それだけですか?

各電源と負荷の能力と要件に合ったシステム全体のPDNソリューションの設計は、非常に洗練された科学です。しかし、PDN Analyzerは、PCB設計ソフトウェアを使用して、使用する不動産とコンポーネントの量を最小限に抑えながら、設計の信頼性を高めるために、電源とグラウンドの形状を簡単に最適化できます。

Current Density Plot on Rigid-Flex Design

リジッドフレックス設計における電流密度プロット

 
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