전력 하위 시스템 설계를 위한 PDN 임피던스 측정

오늘날의 복잡한 다층, 고속 PCB 설계에서 제품 개발 과정의 가장 중요한 측면 중 하나는 전력 하위 시스템 설계에 초점을 맞추고 있습니다. 그 설계 부분에서의 목표는 PDN 임피던스를 가능한 한 낮게 (몇 밀리옴) 광범위한 주파수에서 유지하는 것입니다. 최종 PCB의 성능 매개변수를 적절히 충족하는지 확인하면서 PDN 임피던스가 전력 하위 시스템의 PDN 임피던스 측정에 사용되는 PCB의 접근 테스트 포인트 생성.

• PDN 임피던스 대 주파수 테스트 설정 생성.
• 맞춤형 테스트 프로브 생성.

이 글에서는 이러한 요소들을 설명하고 전력 하위 시스템 임피던스 테스트 과정이 최종 제품의 실제 성능을 어떻게 반영하는지 보여줄 것입니다.

PDN 임피던스 측정 도전

PDN 임피던스 측정 과정(그리고 다른 전력 무결성 측정)을 둘러싼 주요 딜레마는 제품 개발자들이 PCB 상의 IC가 요구할 신호 대역폭을 항상 알지 못한다는 것입니다. 그 결과, 그 임피던스는 DC부터 수십 GHz까지 낮게 유지되어야 합니다. 이는 의도한 설계에 맞는 스택업을 갖춘 PCB를 구축함으로써 달성됩니다. 또한 PDN에 사용할 예정인 커패시터를 의도한 위치에 포함시켜야 합니다. 그런 다음 전체 보드에 대해 임피던스 대 주파수를 측정해야 합니다.

그림 1은 전원 공급 장치와 바이패스 커패시터의 임피던스를 측정하기 위해 사용되는 접근 지점을 설계하는 방법을 보여줍니다. 

이 테스트는 각 전력 평면 또는 동일한 보드에서 여러 전원 공급 장치를 사용하는 경우 각 전원 공급 전압에 대해 탈조 캐패시터 집단이 올바른지 확인합니다. 각 전원 공급 입력 또는 전력 평면마다 이러한 접근 지점이 두 개 필요합니다. 이 두 구조는 최소한 한 인치 이상 떨어져 배치되어야 하며, 연결된 전압으로 라벨이 붙어야 합니다. 첫 번째 지점은 신호가 평면 캐패시터로 주입될 수 있게 하고, 두 번째는 결과 전압을 측정할 수 있게 합니다. 이 접근 지점들은 특별한 저 인덕턴스 프로브(아래에서 이 프로브에 대해 더 자세히 설명함)가 보드에서 스펙트럼 분석기로 연결을 할 수 있도록 설계되었으며, 실제 테스트를 수행하는 데 사용됩니다. 그림 2에 있는 스티커는 예제 PCB에서 테스트 프로브를 위한 접근 지점을 보여줍니다.

추적 신호 발생기가 있는 스펙트럼 분석기는 Z 대 F(PDN 임피던스 대 주파수) 측정을 수집하는 데 사용됩니다. 이는 그림 3에서 보여지는 것과 같습니다.

Power Analyzer by Keysight

Power integrity analysis at design time.

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추적 신호 발생기의 출력은 위에서 언급한 일정한 전류를 주입하는 데 사용됩니다. 스펙트럼 분석기 화면에 표시된 데이터는 볼트로 설정되어 표시되며, 이는 PDN 임피던스에 비례합니다.

앞서 언급된 초저 인덕턴스, 초저 임피던스 테스트 프로브는 그림 4에 나타나 있습니다. 이들은 한쪽 끝에 남성 SMA 커넥터가 달린 SR 141 반강성 동축 케이블의 짧은 조각과 다른 한쪽 끝에 뻣뻣한 와이어(재봉 바늘이 작동함)의 짧은 조각으로 만들어집니다. 

스펙트럼 분석기에서 데이터를 얻은 후에, 테스트를 수행하는 엔지니어는 주입된 전류를 사용하여 측정된 전압을 임피던스로 변환합니다. 그 데이터의 결과에 기반하여, 전원 서브시스템 디자인의 임피던스 목표가 충족되었는지 판단할 수 있습니다.

주의 사항

그림 1에 나타난 것과 같은 테스트 포인트가 보드에 없는 경우, 측정되는 두 평면과 접촉하는 위치에 동축 케이블을 판매해야 할 필요가 있습니다. 이를 수행하는 가장 좋은 방법은 두 개의 0603 캐패시터를 제거하고 그림 5에 나타난 것처럼 동축 케이블을 납땜하는 것입니다. 

PCB에 리드를 납땜할 때, 이 그림에서 보는 것처럼 분석기에서 케이블을 빠르게 분리할 수 있는 방법이 있으면 편리합니다. 이를 위한 가장 쉬운 방법은 그림 3에서 보여주는 것처럼 BNC 커넥터를 사용하는 것입니다. 그림 6은 프로브가 달린 테스트 케이블에 연결하는 SMA 어댑터를 보여줍니다. 임피던스 대 주파수를 정확하게 측정하기 위해서는 두 경로가 상호 인덕턴스를 생성하지 않도록 충분히 떨어져 있어야 합니다.

요약

이제 차동 신호가 매우 쉬워졌기 때문에, 현재 디자인에서 가장 도전적인 측면은 전력 전달 시스템을 올바르게 구성하는 것입니다. 우리가 최근에 컨설팅 서비스를 제공한 보드 중 하나는 200개 이상의 28 Gbps 차동 링크를 가지고 있었습니다. 그 모든 링크를 어떻게 다룰지 알아내는 데 하루 정도 걸렸습니다. 같은 디자인에는 29개의 다른 전압 레일이 있었고; 각 레일에서의 전류 수요, delta(i), 그리고 리플을 파악하는 데 거의 한 달이 걸렸습니다.

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참고 문헌

1. Ritchey, Lee W., 그리고 Zasio, John J., “처음부터 올바르게, 고속 PCB 및 시스템 설계에 관한 실용적인 핸드북,” 제 2권.
2. Ritchey, Lee W., 강의 슬라이드, “2일간의 신호 무결성 및 고속 시스템 설계,” 교육 클래스.