5 mitów dotyczących integralności zasilania: wydanie AC

Jeśli wydawało Ci się, że integralność sygnału i EMI są pełne mitów, to poczekaj, aż zetkniesz się z integralnością zasilania. W elektronice mocy i projektowaniu PCB integralność zasilania występuje w dwóch odmianach: o integralności zasilania DC pisaliśmy już gdzie indziej na blogu, a teraz pora przyjrzeć się pięciu największym mitom dotyczącym integralności zasilania AC. Przejdźmy więc od razu do rzeczy!

Mit 1: Każdy zasilacz będzie działał

W wielu dyskusjach o integralności zasilania całkowicie pomija się rolę regulatora zasilania i zakłada, że jest on teoretycznie idealny. W rzeczywistości producenci półprzewodników dostarczają komponenty do szybkich systemów cyfrowych wraz z regulatorami zasilania zaprojektowanymi specjalnie do dostarczania mocy przy wysokich prędkościach. Typowe moduły regulatorów napięcia dla szybkich szyn zasilających w systemach cyfrowych mają trzy ważne cechy:

• Są to wielofazowe przetwornice buck
• Mają szerokie pasmo pętli regulacji
• Mają niską indukcyjność wyjściową

Powód pierwszego punktu jest taki, że konstrukcje wielofazowe mogą pracować z wyższą efektywną częstotliwością przełączania przy niskim współczynniku wypełnienia dla każdej fazy, co zmniejsza szum przełączania na wyjściu. Opisałem ten ważny aspekt w innym artykule na blogu.

Jednak w przypadku szybkich projektów cyfrowych ważniejszy jest drugi punkt, ponieważ określa on, jak szybko regulator może reagować na stany przejściowe na wyjściu i tym samym utrzymywać stabilne napięcie wyjściowe. Konsekwencją drugiego punktu jest to, że regulator ma niską impedancję wyjściową, a impedancja ta musi pozostawać niska aż do bardzo wysokich częstotliwości. Razem czynniki te zapewniają, że regulator i struktura PDN (wraz z jej dyskretnymi kondensatorami oraz pojemnością płaszczyzn) mogą tłumić tętnienia na szynie zasilającej, gdy szybkie cyfrowe wejścia/wyjścia zaczynają się przełączać.

Mit 2: Pojedyncza warstwa zasilania jest wystarczająca

W niektórych projektach można sobie pozwolić na pojedynczą warstwę zasilania, nawet jeśli jest ona podzielona na wiele szyn. W przypadku mniejszych procesorów cyfrowych, które mogą mieć mniej niż 1000 kulek w obudowie BGA, nadal wymagane będzie kilka napięć zasilających. Warstwę zasilania można jednak podzielić na duże szyny, aby dostarczyć procesorowi całe wymagane zasilanie. Poniżej pokazano przykład ilustrujący możliwą liczbę i różnorodność szyn zasilających na jednej warstwie zasilającej duży układ BGA.

Jeśli spróbujesz umieścić zbyt wiele szyn zasilających na jednej warstwie, mogą one ostatecznie przewodzić zbyt duży prąd. W takim przypadku może być potrzebna kolejna warstwa zasilania dla szyn o wysokim prądzie.

W miarę jak procesory stają się większe i muszą obsługiwać więcej wejść/wyjść z większą szybkością, może być potrzebnych wiele warstw płaszczyzn zasilania, a każda z nich musi mieć własną płaszczyznę masy. Jest to konieczne, aby zapewnić wystarczającą pojemność płaszczyzn i utrzymać impedancję PDN poniżej odpowiedniej wartości docelowej. Impedancje PDN poniżej 1 mΩ w zakresie od 100 MHz do 1 GHz są normą w przypadku dużych procesorów cyfrowych. Przykłady takich procesorów obejmują duże CPU i duże FPGA mające ponad 1000 wyprowadzeń.

Mit 3: Dielektryki o niskim Dk są dobre dla integralności zasilania

W projektach szybkich układów cyfrowych często stosuje się zaawansowane materiały FR4 o wartościach Dk między 3 a 4. Materiały te mają również zwykle niską dyspersję, a w połączeniu z niską wartością Dk są korzystne dla integralności sygnału w kanałach o dużej szerokości pasma. Jednak dielektryki o niskim Dk nie zawsze są najlepszym wyborem dla integralności zasilania.

Nie chodzi o to, że materiały o niskim Dk są „złe” dla integralności zasilania, lecz o to, że wyższa wartość Dk w parze płaszczyzn zasilanie–masa może być lepszą opcją. Powód jest taki, że dielektryki o wyższym Dk zapewniają większą pojemność płaszczyzn przy danej grubości. Dlatego w niektórych przypadkach w stackupie stosuje się specjalny materiał znany jako embedded capacitance material (ECM). Materiały te mają zwykle trzy ważne właściwości:

• Bardzo małą grubość warstw
• Bardzo wysoką wartość Dk
• Wyższą wartość Df niż zaawansowane materiały FR4

Wyższa wartość Df pomaga tłumić stany przejściowe przy wysokich częstotliwościach, natomiast wysoka wartość Dk i mała grubość warstwy pomagają zapewnić bardzo dużą pojemność płaszczyzn sięgającą zakresu GHz. Powyżej tych częstotliwości dominować będzie impedancja PDN wewnątrz obudowy procesora i to ona określi integralność zasilania widoczną na bumpach matrycy.

• Dowiedz się więcej o ECM w tym artykule

Dane pokazujące spadek impedancji PDN, gdy w stackupie PCB zastosowano cieńszy ECM. Bardzo wyraźnie widać, że zachowanie rezonansowe w pobliżu 1 GHz jest znacznie zmniejszone dzięki zastosowaniu cieńszego materiału ECM. [Źródło: DuPont]

Mit 4: Trzy wartości kondensatorów

Najczęściej spotykane zalecenie dotyczące doboru kondensatorów odsprzęgających/bypass polega na użyciu trzech wartości kondensatorów oddzielonych od siebie o dekadę, tj. 10 µF, 1 µF i 100 nF. Może to być wystarczające w przypadku ASIC, ale szybko przestaje się sprawdzać dla dużych procesorów cyfrowych wymagających niskiej impedancji PDN bez pików rezonansowych. Dzieje się tak dlatego, że rezonanse mogą łatwo przekroczyć docelową wartość impedancji, powodując silne stany przejściowe przy tych częstotliwościach, które zakłócają dostarczanie zasilania.

Poniższy obraz z przełomowego artykułu w Signal Integrity Journal autorstwa Erica Bogatina, Steve’a Sandlera i Larry’ego Smitha pokazuje, dlaczego taki dobór kondensatorów może nie być optymalny dla dużych procesorów cyfrowych wymagających zasilania o dużej szerokości pasma.

Impedancja PDN przy wielu wartościach MLCC. [Źródło: Signal Integrity Journal]

Choć dodanie większej liczby kondensatorów obniży krzywą impedancji PDN, do zmniejszenia pików impedancji PDN poniżej wartości docelowej może być potrzebna ich bardzo duża liczba. Lepszym podejściem jest rozłożenie wartości kondensatorów szerzej niż tylko na trzech wartościach podawanych w klasycznych wytycznych projektowych. Może to wygładzić piki impedancji PDN, co z kolei pozwala zmniejszyć łączną liczbę kondensatorów potrzebnych do utrzymania krzywej impedancji poniżej wartości docelowej.

Mit 5: Kondensatory zawsze muszą znajdować się blisko pinów VDD/GND

W przypadku mniejszych procesorów w obudowach quad i układów ASIC stwierdzenie to jest rzeczywiście prawdziwe, szczególnie gdy zasilanie nie jest dostarczane za pomocą pary płaszczyzn zasilanie/masa. Jednak w większych procesorach cyfrowych w obudowach BGA, które wymagają par płaszczyzn zasilanie–masa, aby doprowadzić zasilanie do pinów w wewnętrznym obszarze obudowy, nie jest możliwe umieszczenie wszystkich kondensatorów blisko pinów zasilania i masy.

Gdy w projekcie z BGA stosuje się pary płaszczyzn zasilanie–masa, indukcyjność ścieżki przez płaszczyznę jest znacznie niższa niż indukcyjność dowolnego połączenia prowadzonego ścieżkami i przelotkami. Para płaszczyzn zasilanie/masa zachowuje się jak rozproszona struktura o niskiej indukcyjności, zwykle w zakresie od 0,1 do 0,5 nH, podczas gdy kombinacja krótkiej ścieżki i przelotki wprowadza 1 do 2 nH, a dłuższe ścieżki z wieloma przelotkami mogą osiągać 5 do 10 nH lub więcej.

Poniższa tabela przedstawia przykładowe wartości indukcyjności dla różnych typów połączeń, aby pokazać, dlaczego trasowanie oparte na płaszczyznach zmienia ograniczenia dotyczące rozmieszczenia elementów.

Ponieważ para płaszczyzn utrzymuje niską indukcyjność połączenia niezależnie od odległości bocznej między kondensatorem odsprzęgającym a pinami procesora, kondensatory umieszczone kilka milimetrów od obszaru BGA nadal mogą skutecznie dostarczać ładunek podczas stanów przejściowych. Czynnikiem decydującym nie jest bliskość w sensie bezwzględnym, lecz indukcyjność ścieżki prądowej, a dostarczanie zasilania przez płaszczyzny utrzymuje tę indukcyjność znacznie poniżej poziomu osiągalnego dla połączeń prowadzonych ścieżkami.

Niezależnie od tego, czy musisz tworzyć niezawodną elektronikę mocy, czy zaawansowane systemy cyfrowe, korzystaj z kompletnego zestawu funkcji do projektowania PCB i światowej klasy narzędzi CAD od Altium. Altium zapewnia wiodącą na świecie platformę do tworzenia produktów elektronicznych, wyposażoną w najlepsze w branży narzędzia do projektowania PCB oraz funkcje współpracy międzydyscyplinarnej dla zaawansowanych zespołów projektowych. Skontaktuj się już dziś z ekspertem Altium!