PCB 디자이너를 위한 PDN의 기초

PCB 디자이너들이 "PDN" 또는 "전력 분배 네트워크"라는 용어를 들었을 때, 보드 플롯, 흑마술 및 기타 신비롭고 무서운 것들을 연상시킬 수 있습니다. 실제로 PDN의 목표는 PDN 성능에 영향을 미치는 대부분의 PCB 설계 측면만큼이나 단순합니다. 이 논문에서는 대부분의 PDN 설계의 다양한 측면과 PCB 설계 소프트웨어가 이러한 측면에 어떻게 영향을 미칠 수 있는지 설명할 것입니다.

전체 목표: 모든 부하에 충분한 전류와 전압 제공

전력 분배 네트워크의 근본적인 목표는 매우 단순합니다 - 모든 부하에 그들의 작동 요구 사항을 충족시키기 위해 충분한 전류와 전압을 제공합니다. 전압 조절기, 칩 내부 디커플링, 패키징, 구성 요소의 장착 등을 포함한 PDN의 전체 설계는 전문 교육과 경험이 필요한 매우 도전적인 과학이지만, PDN 성능을 위한 PCB 최적화는 PCB 디자이너가 할 수 있는 것에 제한이 있기 때문에 덜 복잡합니다. 이 논문에서는 PCB 레이아웃 내에서 고려해야 할 사항에 초점을 맞추어 모든 부하에 충분한 전류와 전압을 제공할 수 있는 PCB 설계를 보장합니다.

요구 사항 1: 소스와 부하 사이에 충분한 금속

각 소스와 해당 부하 사이에 충분한 금속(보통 구리)이 있는지 확인하는 것은 PDN 설계에서 가장 중요한 측면입니다. 긍정적인 측면에서, IPC-2152는 명목상의 비용으로 이를 수행하는 방법에 대해 비교적 간단한 지침을 제공합니다. 최대 예상 전류와 허용 온도 상승을 고려할 때, 이 규격은 전원 형태의 최소 너비가 어떻게 되어야 하는지 알려줍니다. 불행히도, IPC-2152만을 사용하는 설계자는 자신의 PCB 설계 소프트웨어를 과도하게 설계하면서 설계상의 문제를 인지하지 못하는데, 이는 여러 가지 제한을 포함합니다:

- IPC-2152 너비 권장 사항은 매우 보수적입니다. 이는 열 최악의 시나리오(인접 구리가 없는 2층 보드)를 사용하여 계산된 것을 나타내며, 사용자는 일반적으로 가장 보수적인 가정(예: 최소 허용 온도 상승)을 합니다. IPC-2152만을 사용하여 만든 설계는 필요한 것보다 훨씬 큰 전원 형태를 가질 수 있습니다.

- IPC-2152의 비아 권장 사항은 보수적입니다. 이는 특히 한 전원 레일의 비아가 위아래의 전원 형태를 관통할 수 있으므로 비아의 수와 크기를 최적화해야 하는 문제입니다. IPC-2152만을 사용하여 만든 설계는 필요한 것보다 크거나 더 많은 전원 비아를 가질 수 있습니다.

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보수적인 구리 푸어

- IPC-2152는 가장 단순한 설계에만 적용됩니다. 소스에서 부하까지 일관된 폭이 있으며, 비아로 인한 구멍이나 구성 요소 및 기타 형태로 인한 축소가 없습니다. IPC-2152는 설계의 전원 형태에서 불완전성을 다루는 방법에 대한 지침을 제공하지 않습니다.

- IPC-2152는 관련 전원 레일의 배치에 대한 통찰력을 제공하지 않습니다. 전압 조정기는 종종 입력부터 출력까지, 가능하다면 피드백을 포함하여 그와 관련된 다양한 전원 형태에 대해 특정 요구 사항을 가지고 있습니다.

설계자는 전원(및 접지) 레일의 크기와 형태를 최적화하기 위한 더 나은 도구가 필요합니다. 이는 일반적으로 "PI-DC" 또는 "IR Drop"이라고 불립니다. Altium은 PDN 요구 사항을 가능한 한 쉽게 충족할 수 있도록 PDN Analyzer를 통해 이 기능을 설계 환경에 통합했습니다. IPC-2152에만 의존하는 대신, 설계자는 각 전원 레일을 분석하여 적절한 금속의 양을 포함하여 IPC-2152가 다루지 않는 측면을 볼 수 있습니다. 예를 들면:

- 소스와 부하 사이의 거리

- 소스와 부하 사이에 허용되는 전압 강하

- 커넥터 핀을 통한 허용 전류

- 비아, 커넥터 등으로 인한 접지 평면의 구멍이나 축소를 보상하기- 전류를 운반하지 않아 전자기 간섭 실패나 과도한 크로스토크와 같은 잠재적 문제의 후보가 되는 전력 또는 접지 형상의 부분

- 전력 및 접지 형상의 효율성

PDN Analyzer는 설계자가 PDN 설계의 가장 기본적인 측면, 즉 소스와 부하 사이의 금속 설계를 최적화하는 것을 빠르고 쉽게 충족할 수 있도록 합니다.

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요구 사항 2: 커패시터 크기, 값, 개수 및 배치

PCB 편집기 제어하에 있는 설계의 다음 측면은 커패시터 최적화입니다. 처음에는 주파수 의존적 특성을 포함하기 때문에 다소 위협적일 수 있지만, PI-DC 측면보다 훨씬 덜 직관적입니다. 다행히도, PCB 설계자 스키마가 영향을 줄 수 있는 매개변수의 수에 의해 복잡성이 제한됩니다. 여기에는 다음이 포함됩니다:

- 커패시터 선택(크기, 값, 개수)

- 커패시터 배치

- 레이어 스택업

마지막 두 가지는 맞춤형 PCB 설계자가 가장 영향을 줄 수 있으며, 그 최적화는 특정 지침을 준수하는 것을 요구합니다(Bogatin, 2011):

- 부하의 패키지 주변에 커패시터 분산

- 커패시터의 근접 배치

- 전원 레일의 전원 및 접지 평면을 보드 표면에 가능한 한 가깝게 배치

- 전원 및 접지 평면 사이에 가능한 한 얇은 유전체 사용

- 커패시터 비아의 극성을 인접할 때 번갈아 가며 배치

부하 패키지 주변의 커패시터 배치

커패시터 최적화를 돕는 무료 도구도 있으며, 이에는 Rolf Ostergaard (www.pdntool.com)와 Altera(그들의 "PDN 도구"로서)가 포함됩니다.

설계 복잡성에 대한 참고 사항

모터 컨트롤러와 같이 인덕터, 피드백 루프 등과 같은 추가 요구 사항이 있는 더 고도로 복잡한 전력 전달 시스템이 있습니다. 여기서는 다루지 않겠습니다. 이러한 경우에는 대부분의 PCB 설계자가 접근할 수 있는 것보다 더 복잡한 분석 도구 및/또는 지침이 필요할 것입니다.

복잡한 리지드-플렉스 디자인에서의 전류 밀도 플롯

그게 다인가요?

각 소스와 부하의 능력 및 요구 사항을 충족하는 시스템 전체 PDN 솔루션의 설계는 매우 정교한 과학입니다. 하지만 PDN Analyzer는 PCB 설계 소프트웨어가 최소한의 부지 및 구성 요소를 사용하면서 설계의 신뢰성을 높일 수 있도록 전원 및 접지 형태를 쉽게 최적화할 수 있게 합니다.

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